王正帥

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國(guó)高瓦斯礦井和突出礦井所采的煤層中超過(guò)95%以上為低透氣性煤層[1]，其中60%左右為碎軟煤層[2]。到目前為止，礦井瓦斯治理的最有效手段還是鉆孔預(yù)抽煤體瓦斯，但是抽采效果又受到煤體透氣性的影響，存在抽采濃度低、抽采量小、抽采成本高、抽采難度大等諸多問(wèn)題。目前，提高煤層透氣性的方法主要有力學(xué)、物理(聲、電等物理場(chǎng))[3，4]和化學(xué)方法(注入化學(xué)解堵劑)[5，6]，力學(xué)方法中的水力壓裂[7-9]、水力割縫[10-12]等水力化措施逐漸成為了煤儲(chǔ)層改造、提高透氣性、強(qiáng)化瓦斯抽采的最主要技術(shù)方法[13，14]。

新疆年原煤產(chǎn)量已超過(guò)2億t，伴隨著大量?jī)?yōu)質(zhì)資源開發(fā)而出現(xiàn)的是瓦斯災(zāi)害的日益嚴(yán)重，煤層增透技術(shù)近年來(lái)才逐漸被引進(jìn)，因此，對(duì)于新疆區(qū)域內(nèi)碎軟突出煤層中開展水力化增透措施的可行性及其瓦斯抽采效果、抽采規(guī)律仍需開展針對(duì)性研究。本文在新疆艾維爾溝礦區(qū)的碎軟突出煤層中開展了普通密集抽采孔試驗(yàn)和高壓水力割縫、水力壓裂增透現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，介紹了兩種水力化措施的施工工藝，給出了采取不同水力化措施后的瓦斯抽采濃度、純量及其衰減規(guī)律，并對(duì)比分析了工程量及工期，為本礦區(qū)及其他具有相似賦存條件的礦區(qū)治理瓦斯災(zāi)害提供借鑒。

1 礦區(qū)概況

1.1 煤層概況

艾維爾溝礦區(qū)位于烏魯木齊市以南130km的天山山脈，礦區(qū)內(nèi)自東向西分布有一八九○煤礦、一九三○煤礦和二一三○煤礦。礦區(qū)含煤地層有兩個(gè)，分別為西山窯組和八道灣組。礦區(qū)內(nèi)三個(gè)礦井均主采4、5、6號(hào)煤層，煤層基本參數(shù)見表1。

表1 煤層基本參數(shù)

4號(hào)為全礦區(qū)可采穩(wěn)定煤層，5、6號(hào)為大部可采的較穩(wěn)定煤層，各煤層均為中變質(zhì)階段的煉焦煤，煤類為25JM，煤層傾角15°～48°(自東向西逐漸變陡)，均為碎軟突出煤層[15]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域在井田西部的侏羅系八道灣組煤系地層4號(hào)煤層內(nèi)，傾角46°，平均厚度3.86m。頂板大部分區(qū)域?yàn)榇稚皫r及砂礫巖，局部為粉砂巖，節(jié)理及裂隙發(fā)育；底板為粉砂巖、細(xì)砂巖及中砂巖，局部裂隙發(fā)育。

2 水力化措施增透機(jī)理

2.1 水力割縫卸壓增透機(jī)理

高壓水力割縫是利用水射流的高速?zèng)_擊力對(duì)煤體產(chǎn)生沖擊破壞，在煤體中沖擊切割出一個(gè)圓盤型縫槽。割縫過(guò)程中縫槽周圍煤體會(huì)因受擾動(dòng)而發(fā)生應(yīng)力重新分布，割縫后縫槽周圍形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原始應(yīng)力區(qū)[16]，割縫縫槽受力如圖1所示，圖中，σH為軸向水平地應(yīng)力；σh為側(cè)向水平地應(yīng)力；K為應(yīng)力變化系數(shù)。

圖1 高壓水力割縫縫槽平面受力

煤體在水射流沖擊下破碎并被高壓水運(yùn)出鉆孔，縫槽逐漸增大形成自由面，縫槽周圍煤體在應(yīng)力作用下向縫槽流變、位移，致使縫槽周圍一定范圍內(nèi)煤體透氣性大幅增加。

2.2 水力壓裂增透機(jī)理

水力壓裂過(guò)程中，將壓裂液(水)以大于煤體起裂壓力的水壓注入煤體，高壓水流會(huì)導(dǎo)致煤體原生裂隙開始起裂并逐漸擴(kuò)展和延伸。不僅原生裂隙的空間體積出現(xiàn)增加，而且新的裂隙也在不斷產(chǎn)生，逐漸擴(kuò)展延伸互相連通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，致使煤層透氣性得到較大提高[17]。

高壓水注入鉆孔后，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ、鉛垂應(yīng)力q0、方向角θ以及孔內(nèi)水壓p決定了鉆孔周邊的環(huán)向應(yīng)力，水力壓裂孔受力如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔受力

煤體起裂壓力計(jì)算如式(1)[18]：

p=min{k(3-λ)q0+Rt，k(3λ-1)q0+Rt}

(1)

式中，k為地層應(yīng)力系數(shù)，k=σs/q0；σs為實(shí)際鉛垂方向應(yīng)力，MPa；λ為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)[19]；Rt為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa；q0為鉛垂方向主應(yīng)力，q0=γH，MPa；γ為上覆巖層平均重力密度，kN/m3；H為煤層埋深，m。

分別精密量取“2.2.1”項(xiàng)下單一對(duì)照品貯備液各適量，用甲醇稀釋制成系列單一對(duì)照品溶液。精密量取上述系列單一對(duì)照品溶液各1.0 μL，按“2.1”項(xiàng)下試驗(yàn)條件進(jìn)樣測(cè)定，記錄離子信號(hào)強(qiáng)度。以各待測(cè)成分的質(zhì)量濃度（x，μg/mL）為橫坐標(biāo)、離子信號(hào)強(qiáng)度（y）為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，回歸方程和線性范圍見表3。

3 水力化增透措施試驗(yàn)

水力化增透措施試驗(yàn)共分為三組，分別為普通密集抽采孔試驗(yàn)、水力割縫試驗(yàn)和水力壓裂試驗(yàn)。試驗(yàn)中的所有抽采鉆孔孔徑為94mm，采用“兩堵一注”封孔方式，封孔深度12 m。

3.1 普通密集抽采孔試驗(yàn)

普通密集抽采孔試驗(yàn)在4號(hào)煤層運(yùn)輸巷(煤巷)掘進(jìn)至320m時(shí)開展，在掘進(jìn)迎頭設(shè)計(jì)施工抽采鉆孔25個(gè)，從上到下依次編號(hào)為1#～25#，鉆孔終孔間距3m，控制前方80m，上部20m，下部10m范圍內(nèi)煤體，鉆孔設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 普通密集抽采孔設(shè)計(jì)

3.2 高壓水力割縫試驗(yàn)

水力割縫試驗(yàn)在4號(hào)煤層運(yùn)輸巷掘進(jìn)至400m處的掘進(jìn)面開展，共布置鉆孔15個(gè)，控制前方80m范圍內(nèi)煤體。鉆孔設(shè)計(jì)剖面及控制范圍如圖4所示。1#～8#鉆孔實(shí)施高壓水力割縫(1#～6#為上行孔)，終孔間距5m，鉆孔施工至孔底后開始后退割縫，每后退3m割縫一次，每次5min左右，最后留20m安全距離不割縫；9#～15#鉆孔不割縫，為普通抽采鉆孔(割縫影響抽采孔)，終孔間距為3m。

圖4 水力割縫試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)

高壓水力割縫系統(tǒng)組成如圖5所示。割縫試驗(yàn)選用?113mm金剛石復(fù)合片鉆頭，?73mm、長(zhǎng)1m淺螺旋整體鉆桿及礦用履帶式鉆機(jī)。

圖5 高壓水力割縫系統(tǒng)

高低壓轉(zhuǎn)換割縫器的高低壓轉(zhuǎn)換臨界水壓為15MPa，采用低于15MPa的水壓施工鉆孔，鉆孔施工到位后增大水壓準(zhǔn)備割縫，當(dāng)水壓升高至15MPa時(shí)，割縫器前部出水口自動(dòng)閉合，壓力急劇增高后，割縫器上?2.5mm的射流孔開始高速噴射高壓水，隨鉆桿旋轉(zhuǎn)切割煤體，實(shí)現(xiàn)高壓水力割縫，割縫壓力保持在45～55MPa，水力割縫期間割縫次數(shù)及排渣量見表2。

表2 水力割縫期間割縫次數(shù)及排渣量

3.3 水力壓裂試驗(yàn)

為避免順層鉆孔水力壓裂誘發(fā)突出，水力壓裂試驗(yàn)在該礦1830回風(fēng)石門、1819運(yùn)輸石門揭4號(hào)煤層區(qū)域開展，每個(gè)石門施工水力壓裂鉆孔1個(gè)、抽采鉆孔40個(gè)，終孔間距7m。水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 水力壓裂鉆孔布置

水力壓裂系統(tǒng)如圖7所示。壓裂泵組選用BRW200/31.5型礦用乳化液泵，并配備2000L水箱。封孔器為充水自膨脹的膠囊封孔器(長(zhǎng)1.5m)，封孔器封過(guò)煤巖交界面。

圖7 水力壓裂系統(tǒng)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 抽采濃度變化規(guī)律

水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔、水力壓裂抽采孔及普通密集抽采孔的單孔平均抽采濃度隨抽采時(shí)間的變化情況如圖8所示。從圖8可知：

圖8 單孔平均抽采濃度隨抽采時(shí)間的變化

1)普通密集抽采孔接抽后，抽采濃度即開始衰減，初期抽采濃度最高；但是，水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔和水力壓裂抽采孔的抽采濃度均呈現(xiàn)出先升高至峰值，再衰減，最后平穩(wěn)的形態(tài)，抽采初期濃度并非最高。分析認(rèn)為，由于水力壓裂和水力割縫過(guò)程中向煤體中注入了大量水，鉆孔接抽后在抽采負(fù)壓作用下水開始返排，因此造成抽采初期鉆孔中抽出大量水，并對(duì)抽采濃度造成很大影響。

2)水力割縫抽采孔的高濃度持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水力壓裂抽采孔和割縫影響抽采孔的濃度峰值明顯低于水力割縫抽采孔，高濃度持續(xù)時(shí)間基本一致且較短。抽采穩(wěn)定后，抽采濃度從高到低依次為水力壓裂抽采孔、水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔、普通密集抽采孔。此外，計(jì)算水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔、水力壓裂抽采孔平均濃度，分別為16.2%、8%、12%，與普通密集抽采孔相比分別提高了7.7、3.8和5.7倍。

4.2 抽采純流量變化規(guī)律

水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔、水力壓裂抽采孔及普通密集抽采孔的單孔平均抽采純流量隨抽采時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

圖9 單孔平均抽采純流量隨抽采時(shí)間的變化

1)抽采純流量比較分析。對(duì)圖9中抽采純流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔、水力壓裂抽采孔的單孔平均抽采純流量分別為0.066m3/min、0.032m3/min、0.041m3/min，分別比普通密集抽采孔提高了3.4、1.6和2.1倍；日均純量分別為89m3、43m3、59m3，分別比普通密集抽采孔提高了3.8、1.8和2.5倍。

2)抽采純流量衰減特性分析。從圖9可看出：普通密集抽采孔抽采純流量整體上呈現(xiàn)單調(diào)衰減的形態(tài)；但是，水力割縫抽采孔、割縫影響抽采孔和水力壓裂抽采孔的抽采純流量均呈現(xiàn)出先升高，再衰減，最后平穩(wěn)的形態(tài)；抽采初期也受返排水的影響，造成抽采純流量不高。水力割縫抽采孔的返排期大約為6d，而水力壓裂抽采孔和割縫影響抽采孔的返排期大約為2d。抽采純流量隨抽采時(shí)間的變化關(guān)系受返排期的影響不符合指數(shù)函數(shù)。返排期內(nèi)抽采純流量較低，對(duì)返排期后的抽采純流量進(jìn)行擬合，可發(fā)現(xiàn)抽采純流量隨抽采時(shí)間的衰減規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)，見表3，表中，x為自變量抽采時(shí)間，d；y為因變量抽采純流量，m3/min。水力割縫抽采孔抽采的前22d和割縫影響抽采孔抽采的前17d抽采純流量和濃度都明顯比普通密集抽采孔高，但是衰減速度很快，大約抽采27d后，抽采效果都趨于穩(wěn)定，差別并不十分明顯。水力壓裂抽采孔抽采純流量前30d始終穩(wěn)定在普通密集抽采孔的2倍左右，30d后抽采純流量依然比較穩(wěn)定、衰減較小，但普通密集抽采孔抽采純流量卻持續(xù)衰減，二者間差別逐漸擴(kuò)大。水力割縫抽采孔和水力壓裂抽采孔抽采純流量衰減速度都比較快，且前者明顯比后者衰減快，但在穩(wěn)定前，水力割縫抽采孔純流量要明顯高于水力壓裂抽采孔，大約2.5倍。

3)水力割縫對(duì)下部下向普通鉆孔的影響。從圖8、圖9可知，水力割縫后，下部的下向割縫影響抽采孔的抽采濃度、抽采純流量和日均純量分別是普通密集抽采孔的3.8、1.6和1.8倍。由此可知，水力割縫后，無(wú)法割縫的下部煤體受割縫區(qū)域卸壓影響透氣性也得以提高。

表3 抽采純流量隨抽采時(shí)間的變化關(guān)系

4.3 工程量與工期分析

以水力壓裂試驗(yàn)中的1819運(yùn)輸石門揭4號(hào)煤層區(qū)域?yàn)橄环秶?，?jì)算對(duì)比采取水力壓裂和水力割縫措施后的工程量及工期。該區(qū)域原始瓦斯含量為14.05m3/t，預(yù)計(jì)將瓦斯降到7m3以下需要抽采瓦斯約4.4萬(wàn)m3。采取不同水力化措施情況下的工程量和工期見表4。抽采時(shí)間按照前文實(shí)測(cè)水力化措施后抽采純流量計(jì)算。

表4 水力化措施工程量與工期

采取水力壓裂和水力割縫措施后，整個(gè)石門揭煤區(qū)域抽采鉆孔工程量約為普通密集抽采孔的22%和46%；從鉆孔施工到抽采達(dá)標(biāo)的總工期縮短了約40%和35%。水力壓裂措施鉆孔工程量?jī)H為水力割縫措施的48%，但總工期相差不大。

5 結(jié) 論

1)水力割縫抽采孔和水力壓裂抽采孔平均濃度與普通密集抽采孔相比分別提高了7.7和5.7倍。單孔平均純流量分別提高了3.4和2.1倍；日均純量分別提高了3.8和2.5倍。無(wú)法割縫的下部煤體受割縫區(qū)域卸壓影響透氣性也得以提高。采取水力化增透措施后，鉆孔工程量大幅減少、總工期大幅縮短。

2)水力割縫和水力壓裂后抽采孔受返排水的影響抽采濃度和抽采純流量均呈現(xiàn)出先升高、再衰減、最后平穩(wěn)的形態(tài)，返排期分別為6d和2d。返排期后，抽采純流量呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減，水力割縫抽采孔和水力壓裂抽采孔抽采純流量衰減速度都比較快，且前者明顯比后者衰減快，但在穩(wěn)定前，水力割縫抽采孔的純流量要明顯高于水力壓裂抽采孔，大約2.5倍。