順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)應(yīng)用研究

程虹銘，寧掌玄，李永明

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦瓦斯嚴(yán)重制約著我國煤礦的安全生產(chǎn)，同時它又是一種非常規(guī)清潔能源，受煤層透氣性系數(shù)的影響，治理和開發(fā)煤礦瓦斯效果均不理想。20世紀(jì)50年代，我國煤礦開始嘗試水力化增透技術(shù)，林柏泉等[1]建立了埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合關(guān)系，研究分析含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化規(guī)律；余陶等[2]分析水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向，并在潘三煤礦試驗穿層鉆孔水力壓裂；袁志剛等[3]建立水力壓裂數(shù)學(xué)模型，并用該模型驗證現(xiàn)場水力壓裂效果；劉明舉等[4]研究了水力沖孔防突機(jī)理和工藝流程；魏國營等[5]在演馬莊礦試驗了水力掏槽技術(shù)，并系統(tǒng)評價了其有效性、適應(yīng)性和安全性；唐建新等[6]設(shè)計了高壓水射流裝置，在白皎煤礦的試驗結(jié)果表明，割縫后鉆孔瓦斯抽采率提高了18.8%；王耀鋒[7]研制了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔裝，并對其工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，使擴(kuò)孔效率明顯提高；徐幼平等[8]優(yōu)化鉆割一體化裝置的割縫入射角和割縫方式，在蘆嶺煤礦應(yīng)用后表明能顯著提高設(shè)備割縫能力。以上各單項水力化增透技術(shù)各有長處和缺點，如水力壓裂其作用對象是鉆孔壁，對于順層鉆孔有效抽采段長，壓裂很容易在煤層某一薄弱處開裂并沿其擴(kuò)展，造成壓裂空白帶；水射流擴(kuò)孔或割縫后煤體卸壓、增透效果明顯，但是影響范圍小，僅有幾米[9]。為取長補(bǔ)短，有學(xué)者將單項水力化增透技術(shù)搭配起來，取得了良好的效果，如黃炳香等[10]提出預(yù)先在孔壁定向割縫，后對其壓裂的定向壓裂技術(shù)；王耀鋒等[11]利用預(yù)置導(dǎo)向槽，結(jié)合水力壓裂實現(xiàn)煤層卸壓增透；邱德才等[12]為增加低滲突出煤層的透氣性，提高煤層瓦斯抽采率，提出“鉆擴(kuò)一體化+水力壓裂”復(fù)合水力化增透技術(shù)。

霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，主采3號煤層，煤層平均傾角5°，平均厚度5.65 m，瓦斯含量8.5～10.5 m3/t，不可解吸瓦斯量2.39 m3/t，3號煤層透氣性系數(shù)為2.06×10-4m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.37 d-1，為較難抽放煤層，本煤層采用孔間距為2.5 m的順層長鉆孔預(yù)抽，效果較差，如何有效增加3號煤層透氣性、提高瓦斯抽采效果，成為礦方亟需解決的問題。基于此，借鑒上述水力化增透技術(shù)研究成果，本文開展了低滲煤層順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)試驗研究。

1 順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)原理

井下鉆孔抽采瓦斯，一方面受煤層滲透率影響，很難達(dá)到預(yù)期抽采效果；另一方面施工抽采鉆孔后，孔周一定范圍內(nèi)應(yīng)力集中嚴(yán)重影響孔周瓦斯流動，形成“瓶塞效應(yīng)”，降低鉆孔抽采效果[13]。以往研究中認(rèn)為：水射流割縫可有效利用高壓水噴射作用，在鉆孔壁上形成槽縫，減弱或消除孔周“瓶塞效應(yīng)”[14]；水力壓裂可借助高壓水使煤層中的弱面張開、擴(kuò)展和延伸，增加裂隙之間的連通；且水力化措施使煤中水分增加，還可改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，增加煤體塑性[15]。

順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)融合水力割縫技術(shù)和水力壓裂技術(shù)兩者作用特點(圖1)：利用專門設(shè)備，將柔性鋼管伸入順層長鉆孔一定深度處，高壓水經(jīng)過特制噴頭打擊孔周煤體；一方面依靠高壓水射流的噴射沖擊力，造成煤體的破碎、掉落，減弱或消除孔周“瓶塞效應(yīng)”；另一方面在有限的空間內(nèi)和返出煤渣的堵塞效應(yīng)下，噴射出的水被“壓入”煤體，擴(kuò)展并溝通煤體裂隙，增加煤體透氣性并降低煤體強(qiáng)度，達(dá)到既噴射又壓裂的目的。相比于穿層鉆孔，順層鉆孔抽采段長，單次水力化增透很難達(dá)到理想效果，增透空白帶范圍大。為此，上述復(fù)合水力化增透技術(shù)需根據(jù)煤層賦存情況設(shè)定分段間距，從順層鉆孔孔底依次后退分段實施(圖1)。

圖1 分段定點復(fù)合水力化增透技術(shù)示意圖

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗采用河南理工大學(xué)蘇現(xiàn)波團(tuán)隊研制的瓦斯抽采孔水力作業(yè)機(jī)[16]，它依靠一根柔性鋼管伸入100 m左右的鉆孔，實施水力化作業(yè)，設(shè)備包含：水力作業(yè)機(jī)、操作臺、水箱、高壓水泵以及相對應(yīng)的饋電開關(guān)等，現(xiàn)場布置如圖2所示。

(注：1-煤層；2-順層鉆孔；3-水力作業(yè)機(jī)；4-操作臺；5-水箱；6-高壓水泵；7-饋電開關(guān)；8-電纜；9-高壓水管；10-高壓油管。)

借鑒相關(guān)穿層鉆孔復(fù)合水力化增透技術(shù)成果，為試驗前疏通鉆孔，并防治試驗中鉆孔塌孔埋管，選用A、B兩種噴頭，如圖3所示。A噴頭前端設(shè)置一個噴嘴，起沖開堵孔段作用，后端設(shè)置三個噴嘴，產(chǎn)生的后噴射流將煤體沖出鉆孔，防止集聚壓管；B噴頭側(cè)面設(shè)三個噴嘴，三個噴嘴產(chǎn)生的高壓水射流打擊煤體，起噴射壓裂作用，后端三個噴嘴仍起防止煤體集聚壓管作用。

圖3 增透試驗噴頭

2.2 現(xiàn)場布置

試驗選在霍爾辛赫煤礦3302工作面，工作面長為200 m，平均厚度為5.0 m，采用長壁后退式低位放頂煤一次采全高的綜合機(jī)械化采煤方法，工作面設(shè)運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、輔助進(jìn)風(fēng)巷和輔助回風(fēng)巷四條巷道，且均沿煤層頂板布置。試驗位置為3302工作面回風(fēng)順槽，巷道斷面為矩形，高2.9 m，寬4.4 m，取靠近聯(lián)絡(luò)巷50 m區(qū)域為試驗區(qū)。試驗前在試驗區(qū)每隔10 m測一個瓦斯含量，測定結(jié)果分別為10.93 m3/t、9.02 m3/t、10.11 m3/t、8.96 m3/t、9.48 m3/t、9.84 m3/t，取瓦斯含量平均值9.72 m3/t為試驗區(qū)域煤層瓦斯含量。

試驗布置12個鉆孔，共分三組，每組4個鉆孔(其中1個鉆孔作為對比孔，不實施增透措施)，三組鉆孔間距分別為2.5 m、3.5 m、4.5 m，組間距為5.0 m，鉆孔垂直巷道壁施工，鉆孔直徑94 mm，鉆孔施工深度平均100 m，呈“一”字型布置在試驗區(qū)內(nèi)，鉆孔施工參數(shù)見表1。

表1 鉆孔施工參數(shù)

2.3 試驗工藝

順層鉆孔分段定點復(fù)合水力化增透技術(shù)現(xiàn)場分兩步實施。第一步疏通鉆孔，采用A噴頭，依靠水射流的“前沖后噴”作用，沖洗鉆孔并防止壓管。

具體步驟：啟動高壓水泵，調(diào)整水壓力為5 MPa，液壓作用下推動轉(zhuǎn)盤將柔性鋼管和噴頭送入鉆孔，沖洗鉆孔。沖洗中緩慢推進(jìn)，視出煤量調(diào)整推進(jìn)速度，若出煤量大，可停止前進(jìn)待出煤量減少后繼續(xù)前進(jìn)，防止壓管；若推進(jìn)不動，可增大壓力破煤，但壓力不超過20 MPa，直至孔底沖洗完畢退出柔性鋼管。

第二步噴射壓裂復(fù)合水力化增透鉆孔。由于順層鉆孔有效抽采段長，采用B噴頭分段噴射壓裂增透鉆孔。

具體步驟：①更換噴頭B，啟動高壓水泵，在5 MPa壓力下，送入孔底后；②在出水順暢的前提下，增加壓力至30～35 MPa，進(jìn)行噴射壓裂復(fù)合水力化增透作業(yè)，根據(jù)出水情況判斷增透時間，不少于5 min；③借鑒現(xiàn)有順層鉆孔布孔間距，且為減少相鄰兩個水力化增透點間的抽采空白帶，取分段間距為2 m，一次增透后在5 MPa壓力下緩慢后退2 m繼續(xù)增透，依次循環(huán)直至距孔口20 m處結(jié)束作業(yè)。試驗過程詳細(xì)記錄鉆孔單孔出煤量，并根據(jù)試驗情況隨時調(diào)整試驗步驟。

3 試驗結(jié)果統(tǒng)計及分析

試驗鉆孔單孔累積出煤量見表2。用式(1)計算增透后鉆孔直徑，見表2。在高壓水射流的沖擊力和壓入雙重作用下，增透鉆孔孔徑提高3～4倍，卸壓范圍增大。

表2 增透后鉆孔參數(shù)

(1)

式中：R1為增透后鉆孔半徑,m；R0為鉆孔原始半徑,m；M為單孔累積出煤量,t；γ為煤容重;L為增透長度,m。

增透結(jié)束，待鉆孔內(nèi)水排出，采用囊袋式封孔聯(lián)管抽采，監(jiān)測30 d抽采數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)分析，將測得的數(shù)據(jù)換算成鉆孔單孔日抽采瓦斯純量和單孔累積抽采瓦斯純量，結(jié)果統(tǒng)計如圖4所示。

圖4(a)為孔間距2.5 m組，其中，1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔為增透鉆孔，4#鉆孔對比鉆孔；圖4(b)為孔間距3.5 m組，其中， 5#鉆孔、6#鉆孔、7#鉆孔為增透鉆孔，8#鉆孔對比鉆孔；圖4(c)為孔間距4.5 m組，其中，9#鉆孔、10#鉆孔、11#鉆孔為增透鉆孔，12#鉆孔為對比鉆孔。可以看出，增透鉆孔的單孔日抽采瓦斯純量較對比鉆孔提升幅度明顯，抽采初期提高3～4倍，且累積抽采30 d后仍能保持日抽瓦斯量不低于5 m3；從單孔日抽采瓦斯純量變化趨勢上可以看出，增透鉆孔抽采20 d內(nèi)可保持較為穩(wěn)定的單孔日抽采量，后有衰減趨勢，對比鉆孔抽采10 d后有明顯衰減；從單孔累積抽采瓦斯純量可以看出，增透鉆孔30 d單孔累積抽量是對比鉆孔的4～6倍。

圖4 單孔日抽采瓦斯純量及單孔累積抽采瓦斯純量

用式(2)和式(3)計算累積抽采30 d單孔瓦斯抽采率，結(jié)果見表3。

表3 單孔瓦斯抽采率(累積抽采30 d)

(2)

(3)

式中：Q可抽為單孔可抽瓦斯量，m3；d為孔間距，m；L為鉆孔長度，m；Q平為煤層平均瓦斯含量，m3/t；Q不可解吸為煤層不可解吸瓦斯量，m3/t；η30為30 d單孔瓦斯抽采率。

增透后30 d單孔瓦斯抽采率提高3～5倍。孔間距2.5 m時，抽采30 d可形成孔間干擾，抽采效果提高較孔間距3.5 m、4.5 m明顯，隨抽采時間的增長，可適當(dāng)增大增透鉆孔布孔間距。 順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)可有效提高單孔抽采控制范圍，提高鉆孔利用率，增大布孔間距，因此，下一步可重點研究增透后鉆孔的有效抽采半徑，優(yōu)化布孔間距。

4 結(jié) 論

1) 順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)在高壓水射流的噴射沖擊和壓入雙重作用下，提高孔徑，溝通近孔壁裂隙網(wǎng)絡(luò)，增大卸壓范圍，增透煤層，提高抽采效果。

2) 順層鉆孔分段復(fù)合水力化增透技術(shù)現(xiàn)場試驗表明：增透鉆孔孔徑提高3～4倍，卸壓范圍顯著增大；單孔日抽采瓦斯純量較對比鉆孔提升幅度明顯，抽采初期提高3～4倍，單孔日抽采瓦斯純量衰減時間由10 d提高到20 d，30 d單孔累積抽量是對比鉆孔的4～6倍。

3) 復(fù)合水力化增透后，不同布孔間距鉆孔，30 d單孔瓦斯抽采率提高3～5倍，有效提高了單孔抽采控制范圍，下一步可重點研究增透后鉆孔的有效抽采半徑，優(yōu)化布孔間距。