劉晉剛

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021)

高壓水射流割縫既能有效的消除突出危險(xiǎn),又能卸壓增透顯著提高瓦斯抽采效果,是一種有效的瓦斯治理方法[1-6]。高壓水射流割縫的射流壓力、割縫速度、縫槽間距等對射流的增透效果和割縫效率具有較大的影響[7-8]。雖然許多研究者在高壓水射流割縫方面進(jìn)行了大量的研究工作,也對割縫參數(shù)進(jìn)行研究,但由于不同礦井煤層條件各不相同,需進(jìn)一步對高壓水射流參數(shù)進(jìn)行研究。為了研究適合長平礦穿層鉆孔的高壓水射流割縫參數(shù),本文通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn),研究了割縫壓力、時(shí)間、間距與割縫效率以及瓦斯抽采效果之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)區(qū)煤層瓦斯基本概況

長平礦是高瓦斯礦井主采3號煤層,煤層平均厚度5.58 m,原始瓦斯含量4.5 m3/t～20 m3/t,原始瓦斯壓力0.38 MPa～1.52 MPa,煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.8,煤層透氣性系數(shù)為0.011 6 m2/(MPa2·d)～0.052 0 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.110 1 d-1～0.466 d-1。長平礦3號煤層瓦斯含量高、壓力大,煤層松軟透氣性低,屬于難以抽采的煤層。

2 高壓水射流割縫參數(shù)試驗(yàn)方案

高壓水射流割縫參數(shù)試驗(yàn)布置在5302底抽1巷,試驗(yàn)設(shè)計(jì)施工了2組鉆孔,每組10個(gè)鉆孔,共布置穿層鉆孔20個(gè),鉆孔傾角36°。兩組鉆孔分別為割縫壓力試驗(yàn)鉆孔和割縫間距試驗(yàn)鉆孔,水射流割縫采用應(yīng)割盡割的方式,即割縫開始直至返清水或返煤量明顯減少時(shí)停止割縫。

2.1 水射流割縫壓力試驗(yàn)方案

第一組試驗(yàn)鉆孔為割縫壓力試驗(yàn)鉆孔,為考察不同壓力對水射流煤層切割的影響,該組試驗(yàn)鉆孔采用相同的割縫間距進(jìn)行水射流割縫,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時(shí)停止,并記錄割縫時(shí)間。割縫壓力試驗(yàn)共布置10個(gè)鉆孔,割縫間距S確定為2 m,割縫壓力P分別采用50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa進(jìn)行試驗(yàn),每種壓力試驗(yàn)兩個(gè)鉆孔,割縫完成后接抽觀測瓦斯抽采數(shù)據(jù)。水射流割縫壓力試驗(yàn)鉆孔布置如圖1所示,具體的割縫參數(shù)如表1所示。

圖1 水射流割縫壓力試驗(yàn)鉆孔

表1 壓力試驗(yàn)鉆孔割縫參數(shù)

2.2 水射流割縫間距試驗(yàn)方案

第二組試驗(yàn)鉆孔的試驗(yàn)?zāi)康氖窃谒淞鞲羁p壓力相同的情況下,考察不同水射流割縫密度對煤層卸壓及瓦斯抽采的影響,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時(shí)停止,并記錄割縫時(shí)間。本組試驗(yàn)共布置10個(gè)鉆孔,割縫壓力P確定為80 MPa,割縫間距S分別采用0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m進(jìn)行試驗(yàn),相同的割縫間距試驗(yàn)兩個(gè)鉆孔,割縫完成后接抽觀測瓦斯抽采數(shù)據(jù)。水射流割縫間距試驗(yàn)鉆孔布置如圖2所示,具體的割縫參數(shù)如表2所示。

圖2 水射流割縫間距試驗(yàn)鉆孔

表2 壓力試驗(yàn)鉆孔割縫參數(shù)

2.3 水射流割縫時(shí)間考察方案

水射流割縫時(shí)間考察,主要通過割縫壓力和割縫間距的試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行考察,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時(shí)停止,并記錄每次割縫的時(shí)間。對第一組和第二組試驗(yàn)鉆孔的割縫時(shí)間進(jìn)行收集整理分析,得到合適的割縫時(shí)間。

3 試驗(yàn)效果分析

3.1 割縫壓力試驗(yàn)效果分析

通過高壓水射流試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),不同的割縫壓力對水射流煤層切割的影響差異較大。本文采用割縫壓力為50 MPa～90 MPa分別進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)得出割縫壓力不同對割縫鉆孔的排渣與割縫效率具有較大影響,試驗(yàn)對比分析如下:

1)試驗(yàn)鉆孔割縫壓力為50 MPa、60 MPa時(shí),在割縫過程中剛開始孔內(nèi)有較多的煤渣伴隨著水一起排出,但在較短時(shí)間內(nèi)在1 min左右,鉆孔內(nèi)排出的水變得稍有渾濁,伴隨的煤渣較少,切割效果不明顯。

2)試驗(yàn)試驗(yàn)鉆孔割縫壓力為70 MPa、80 MPa時(shí),在割縫過程中孔內(nèi)有較多的煤渣伴隨著水一起排出,且能夠保持3 min～4 min,排水排渣順暢,切割順利。

3)試驗(yàn)試驗(yàn)鉆孔割縫壓力為90 MPa時(shí),在割縫過程中鉆孔內(nèi)煤渣量非常大,排渣流速緩慢,鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力逐漸加,卡鉆、堵孔、噴孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

綜合以上不同高壓水射流壓力下的排渣與割縫效果,水切割壓力為70 MPa、80 MPa時(shí),水射流割縫速度快,鉆孔排渣順暢,割縫效率最高,綜合得出長平礦3號煤層的高壓水射流割縫壓力為70 MPa～80 MPa較為合理。

3.2 割縫間距試驗(yàn)效果分析

通過對水力割縫間距試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行了27 d的觀測,收集、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算了試驗(yàn)鉆孔日的抽采純量以及27 d的累計(jì)瓦斯抽采純量,得到不同割縫間距試驗(yàn)鉆孔的日瓦斯抽采純量隨抽采時(shí)間的變化曲線,如圖3所示,得到不同割縫間距試驗(yàn)鉆孔的累計(jì)抽采純量,如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)鉆孔日抽采純量曲線圖

通過圖3總結(jié)分析可以得出:

1)通過高壓水射流割縫后,S1#孔、S2#孔、S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的抽采純量在抽采3 d后均有所提高,得到高壓水射流割縫能夠提高鉆孔的瓦斯抽采量。

2)S1#孔、S2#孔割縫間距為0.5 m,抽采3 d后抽采純量有一定的提高,但保持時(shí)間較短僅有5天左右,抽采量開始減少,究其原因,由于割縫間距較小導(dǎo)致煤體破碎,隨抽采對煤體的擾動,鉆孔坍塌堵塞,減小了鉆孔的抽采距離和范圍。

3)S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔割縫間距為1 m和1.5 m,試驗(yàn)后鉆孔的抽采量有明顯提高,持續(xù)高流量抽采時(shí)間長,試驗(yàn)效果較好。

4)S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的割縫間距為2 m和2.5 m,通過高壓水射流割縫后,鉆孔抽采流量增加,但抽采量保持18 d后開始減少,分析其原因?yàn)?鉆孔割縫間距較大,對煤體卸壓不充分。

通過圖4可以看出,通過27 d的瓦斯抽采,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的單孔累計(jì)抽量明顯比S1#孔、S2#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的單孔累計(jì)抽量高,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的割縫間距為1 m和1.5 m,因此得到割縫間距為1 m～1.5 m的抽采效果較好。

圖4 試驗(yàn)鉆孔累計(jì)抽采純量柱狀圖

3.3 割縫時(shí)間考察分析

對割縫壓力試驗(yàn)鉆孔和割縫間距試驗(yàn)鉆孔的割縫時(shí)間收集、統(tǒng)計(jì),高壓水射流割縫壓力為50 MPa、60 MPa時(shí),在割縫開始的第1 min隨水排出的煤渣較多,割縫3 min后大部分鉆孔內(nèi)排出的水稍有渾濁或返清水;高壓水射流割縫壓力為70 MPa、80 MPa時(shí),割縫的前3 min鉆孔內(nèi)有大量的煤渣隨水排出,割縫4 min后鉆孔內(nèi)返煤量明顯減少;高壓水射流割縫壓力為90 MPa時(shí),鉆孔割縫時(shí)間較長,平均每次割縫時(shí)間為10 min左右,主要由于割縫時(shí)塌孔、堵孔等嚴(yán)重,導(dǎo)致割縫效率低。通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得到,在割縫壓力合適的條件下,高壓水射流割縫時(shí)間為4 min左右較為合適。

4 結(jié)論

高壓水射流割縫能有效增加煤層透氣性系數(shù),提高鉆孔的抽采量,合適的割縫參數(shù)能夠有效提高割縫的效率和鉆孔瓦斯抽采效果。通過試驗(yàn)得到以下結(jié)論:

1)高壓水射流割縫壓力為70 MPa、80 MPa時(shí),水射流割縫速度快,鉆孔排渣順暢,割縫效率最高,綜合得出長平礦3號煤層的高壓水射流割縫壓力為70 MPa～80 MPa較為合理。

2)高壓水射流割縫間距為1 m和1.5 m時(shí)鉆孔的抽采效果最好,因此得到較好的割縫間距為1 m～1.5 m。

3)在割縫壓力合適的條件下,高壓水射流割縫時(shí)間為4 min左右時(shí),割縫的效率最高,得到割縫時(shí)間為4 min左右較為合適。