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        水力割縫鉆孔在常村煤礦的應(yīng)用

        2022-06-13 08:55:58峰,王
        2022年6期
        關(guān)鍵詞:煤體水力瓦斯

        郜 峰,王 珂

        (潞安化工集團(tuán) 常村煤礦,山西 長治 046100)

        水力割縫利用高壓清水泵將水加壓至75~80 MPa,通過鉆桿送入割縫噴嘴,再通過噴嘴形成脈動水線切割煤層,在煤體內(nèi)制造裂隙,增加瓦斯運移通道,加大煤層透氣性,以提高瓦斯抽采效率。常村煤礦位于山西省沁水煤田潞安礦區(qū)的中部,屬高瓦斯礦井,開采煤層為3號煤層,3號煤層位于山西組中下部,平均厚度6.08 m,含夾矸0~2層。煤的破壞類型屬Ⅱ類破壞類型,堅固性系數(shù)f值為0.41~0.49,煤層透氣性系數(shù)為0.087 2~0.093 6 m2/MPa2·d,屬于不易抽采型。2302工作面標(biāo)高在+440~+460之間,工作面采用“Y型”布置,煤層平均厚度為6.45 m,根據(jù)3號煤層瓦斯地質(zhì)圖顯示,該工作面原始瓦斯含量為8~10 m3/t。

        1 工作面瓦斯治理措施

        本工作面的瓦斯治理措施主要有:本煤層預(yù)抽鉆孔、水力造穴鉆孔、水力割縫鉆孔。

        1.1 本煤層預(yù)抽鉆孔

        2302輔運巷本煤層預(yù)抽鉆孔于2018年5月開始施工,共施工768個鉆孔,進(jìn)尺11 460 m,2019年9月施工完成;膠帶巷本煤層預(yù)抽鉆孔于2018年8月開始施工,共施工749個鉆孔,進(jìn)尺111 900 m,2019年6月施工完成。

        1.2 水力造穴鉆孔

        2302工作面僅輔運巷1 412 m處往里200 m范圍施工40個水力造穴鉆孔,鉆孔從孔底開始造穴,然后依次每退5 m造穴1個,造穴段長度1 m,距煤墻預(yù)留30 m安全距離,總共造穴20個,沖孔壓力控制在15~20 MPa之間,待孔口返水無明顯煤屑后,降低水壓至3~5 MPa后退5 m再次造穴,每個鉆孔施工完畢后,立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采。鉆孔參數(shù)見表1和表2。

        表1 2302輔運巷本煤層預(yù)抽鉆孔參數(shù)

        表2 2302輔運巷水力造穴鉆孔參數(shù)

        1.3 水力割縫鉆孔

        在2302軌順1 617 m處往外施工水力割縫鉆孔,鉆孔開口位置距底板2 m,方位角為垂直煤墻偏切眼10°,割縫鉆孔施工在2個水力造穴孔中間時,鉆孔間距5 m,割縫鉆孔施工在2個普通鉆孔中間時,間距為4 m,鉆孔傾角-2~+4°,孔徑D113 mm,共設(shè)計255個鉆孔。

        2 水力割縫原理及參數(shù)

        2.1 水力割縫原理

        當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至預(yù)定孔深位置時,將超高壓清水泵水壓調(diào)至割縫作業(yè)設(shè)定壓力,利用鉆機(jī)帶動水力割縫裝置的鉆桿旋轉(zhuǎn),超高壓水通過高低壓轉(zhuǎn)換割縫器徑向噴嘴射出水射流,對煤孔進(jìn)行徑向切割形成縫槽,按一定割縫間距后退鉆桿可在鉆孔徑向再次進(jìn)行割縫成槽,由此在孔內(nèi)形成若干切割縫隙,改變鉆孔附近煤體原應(yīng)力進(jìn)行充分卸壓,增大煤體的暴露面積,有效改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài),為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件,提高煤層的透氣性和瓦斯釋放能力。

        2.2 水力割縫鉆孔參數(shù)

        水力割縫鉆孔參數(shù),見表3,施工示意見圖1。

        圖1 水力割縫鉆孔施工示意

        表3 2302輔運巷水力割縫鉆孔參數(shù)

        鉆孔從孔底開始割縫,然后依次每退3 m切割1次,距煤墻預(yù)留30 m安全距離,總共切割41刀,切割壓力控制在75~80 MPa之間,切割時間控制在5 min。每個鉆孔施工完畢后,立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采。

        3 水力割縫鉆孔抽采效果分析

        截至2021年8月30日,共施工81個鉆孔,3月28日第一個割縫鉆孔并網(wǎng)抽采,目前施工的割縫鉆孔均已并網(wǎng)開抽,本次選取5月份成孔的30號~43號鉆孔進(jìn)行分析。

        3.1 水力割縫鉆孔成孔后濃度走向趨勢

        30號~43號鉆孔抽采濃度的測試數(shù)據(jù),見表4,繪制鉆孔抽采濃度曲線圖,見圖2,圖3和圖4。

        表4 30號~43號鉆孔濃度參數(shù)

        圖2 30號~35號鉆孔濃度曲線圖

        圖3 36號~39號鉆孔濃度曲線圖

        圖4 40號~43號鉆孔濃度曲線圖

        由以上曲線可以看出,曲線變化以7月10日為分界點(30號~43號孔全部預(yù)抽達(dá)到40 d)基本可以分為兩個部分,7月10日前各鉆孔的濃度起伏波動較大,說明割縫鉆孔成孔后,其內(nèi)部裂隙仍在發(fā)育或者受力閉合,且隨著抽采時間的延長,鉆孔水被抽排干凈,也對裂隙的形成起到一定作用,造成濃度波動幅度較大。7月10日后除個別鉆孔外,總體較為平穩(wěn),且呈逐漸衰減趨勢(8月10日抽采負(fù)壓異常偏低,造成鉆孔濃度升高)。說明水力割縫鉆孔成孔40 d后,孔內(nèi)裂隙的變化已趨于穩(wěn)定,在抽采負(fù)壓不出現(xiàn)大范圍變化時,鉆孔的濃度會出現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢。

        3.2 受采動影響范圍水力割縫鉆孔與普通鉆孔的區(qū)別

        隨機(jī)選取2021年7月23日,8月7日,8月16日,三日的超前鉆孔進(jìn)行分析,根據(jù)常村煤礦綜采工作面生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗,工作面距切眼20 m范圍內(nèi)為受采動影響區(qū)域。超前鉆孔為距切眼20 m范圍內(nèi)鉆孔,具體參數(shù)見表5,表6和表7。

        由表5、表6、表7可以看出,超前距內(nèi)水力割縫鉆孔濃度要明顯高于普通鉆孔,說明進(jìn)入受采動影響區(qū)域后,隨著煤體裂隙的發(fā)育,水力割縫鉆孔的抽采效果要好于普通鉆孔。

        表5 7月23日進(jìn)入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

        表6 8月7日進(jìn)入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

        表7 8月16日進(jìn)入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

        3.3 水力割縫鉆孔與鄰近鉆孔的關(guān)系

        連續(xù)觀測2021年8月7日~8月8日2 d的水力割縫鉆孔抽采濃度和其相鄰普通鉆孔抽采濃度,對兩者的關(guān)系進(jìn)行分析,見圖5和圖6。

        圖5 8月7日水力割縫鉆孔與鄰近普通鉆孔濃度對比曲線圖

        圖6 8月8日水力割縫鉆孔與鄰近普通鉆孔濃度對比曲線圖

        從以上曲線可以明顯看出,除工作面超前距內(nèi),受采動影響范圍內(nèi)水力割縫鉆孔與普通鉆孔濃度差異較小外,其余割縫鉆孔的濃度均遠(yuǎn)高于普通鉆孔。可以得出以下結(jié)論。

        1) 水力割縫鉆孔的施工,對鄰近鉆孔的影響不大。

        2) 在煤體瓦斯含量高的工作面,煤體經(jīng)過鉆孔長時間抽采,仍然賦存有可抽采的大量瓦斯,單一的施工普通鉆孔對工作面瓦斯的治理作用有限。

        3) 通過曲線可以看出,水力割縫對煤體的破壞并未引起鄰近的普通孔濃度的升高,也就是割縫鉆孔對煤體的擾動與產(chǎn)生的裂隙未與普通孔并未導(dǎo)通。反映出大部分普通鉆孔內(nèi)已經(jīng)塌死(前期的用探桿透孔可以印證,70%普通鉆孔孔內(nèi)已經(jīng)塌死,無法塞入探桿)。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)常村煤礦2302工作面施工的水力割縫鉆孔進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:

        1) 水力割縫對煤體的破壞較大,有良好的增透效果,比未進(jìn)行水力割縫鉆孔有更高的初始抽采瓦斯?jié)舛取?/p>

        2) 在進(jìn)入受采動影響范圍內(nèi)時,水力割縫鉆孔濃度比未進(jìn)行水力割縫的鉆孔濃度更高。

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