王 磊

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046103)

王莊煤礦原有水力造穴設(shè)備在91采區(qū)進(jìn)行造穴增透強(qiáng)化瓦斯抽采，效果有待進(jìn)一步提高。經(jīng)過對(duì)王莊煤礦3號(hào)煤層煤巖力學(xué)參數(shù)、瓦斯參數(shù)及瓦斯抽采參數(shù)的測(cè)定和調(diào)研，分析王莊煤礦煤層特征，其屬于高瓦低滲透性煤層，煤層瓦斯含量較高，但由于滲透性差，采用順層鉆孔或水力造穴增透技術(shù)[1-3]，抽采效果不甚理想。針對(duì)該煤層特點(diǎn)，提出采用水力割縫與造穴相結(jié)合，在王莊煤礦現(xiàn)有水力造穴設(shè)備的基礎(chǔ)上，在不增加設(shè)備成本及人工工時(shí)成本的基礎(chǔ)上，引入具有聚能作用的水力割縫水刀，同時(shí)改進(jìn)增透工藝，提出適用于王莊煤礦的瓦斯抽采增透技術(shù)[4]。

1 水力割縫增透原理

煤層中瓦斯分為游離瓦斯和吸附瓦斯，其中吸附瓦斯含量占總含量的80%～90%.瓦斯的游離態(tài)和吸附態(tài)在一定的條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的[5-6]。瓦斯抽采是抽采煤層中的游離瓦斯，因此要想提高抽放效果，不僅在抽采工藝、封孔質(zhì)量上要有所改進(jìn)，更重要的是創(chuàng)造條件讓煤層中的吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯[7-9]。水力割縫增透原理如圖1所示。

圖1 水力割縫增透原理

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工作面概況

9106工作面位于91采區(qū)，煤層自燃傾向性為Ⅲ級(jí)不易自燃，有粉塵爆炸性。9106工作面原始瓦斯含量在8 m3/t，殘存瓦斯含量為1.56～2.57 m3/t，煤層的孔隙率為2.84%～3.57%，透氣性系數(shù)為0.028 8～0.054 7 m2/(MPa2·d)，衰減系數(shù)為0.012 8～0.018 1 d-1，瓦斯放散初速度為8.4～9.8 mL/s.

2.2 設(shè)備說明

鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)如圖2所示，主要由履帶底盤、立柱組件、導(dǎo)軌組件、油箱組件、操作機(jī)構(gòu)、動(dòng)力頭、夾持器、動(dòng)力系統(tǒng)，冷卻器等組成[10]。

圖2 水力增透設(shè)備組成

2.3 施工方案

為了充分考察水力割縫增透的實(shí)際效果，保證試驗(yàn)地點(diǎn)在效果考察期間不受干擾，選擇在9106運(yùn)巷未施工瓦斯抽采鉆孔的位置，共施工2組鉆孔，每組5個(gè)，共計(jì)10個(gè)鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況逐步實(shí)施。具體設(shè)計(jì)如下。

2.3.1 原有鉆孔造穴技術(shù)實(shí)施

第一組測(cè)試水力造穴瓦斯抽采效果。如圖3所示，在9106運(yùn)巷未施工瓦斯抽采鉆孔位置施工5個(gè)鉆孔，鉆孔間距4 m，采用水力造穴增透。如圖4所示，每個(gè)鉆孔長(zhǎng)165 m，單孔共造14個(gè)穴，每個(gè)穴造1 m(出4箱煤即完成1個(gè)穴)，間距是10 m，最后一個(gè)穴離距離孔口20 m.同時(shí)記錄水力造穴完成一個(gè)孔所需時(shí)間。

圖3 水力造穴鉆孔布置示意

圖4 水力造穴成孔示意

每個(gè)鉆孔施工完畢后，要求立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，5個(gè)鉆孔為一組并聯(lián)后安裝1個(gè)孔板流量計(jì)，鉆孔連抽后要求每天測(cè)定該組孔的瓦斯抽采負(fù)壓、流量、濃度等參數(shù)。

2.3.2 水力割縫技術(shù)實(shí)施

第二組測(cè)試水力割縫瓦斯抽采效果。如圖5所示，在9106運(yùn)巷未施工瓦斯抽采鉆孔位置，施工5個(gè)鉆孔，采用水力割縫增透技術(shù)。如圖6所示，每個(gè)鉆孔長(zhǎng)165 m，單孔共造70個(gè)縫，割縫寬度預(yù)計(jì)6～10 cm(按出1箱煤即完成1個(gè)縫)，割縫間距2 m，最后一個(gè)縫距離孔口20 m，割縫時(shí)水壓應(yīng)保持在20 MPa，水流量20 mL/min.同時(shí)記錄水力割縫完成1個(gè)孔施工所需時(shí)間。為保障新工藝不增加王莊煤礦成本投入，項(xiàng)目組引進(jìn)了如圖7所示的具有聚能作用的割縫水刀，其他設(shè)備均沿用礦上以前的造穴設(shè)備。

圖5 水力割縫鉆孔布置示意

圖6 水力割縫成孔示意

圖7 項(xiàng)目組新引入的具有聚能設(shè)計(jì)的割縫水刀

每個(gè)鉆孔施工完畢后，要求立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，5個(gè)鉆孔為一組并聯(lián)后安裝1個(gè)孔板流量計(jì)，鉆孔連抽后要求每天測(cè)定該組孔的瓦斯抽采負(fù)壓、流量、濃度等參數(shù)。

3 兩種增透技術(shù)的數(shù)值模擬分析

為分析水力造穴和水力割縫兩種工藝對(duì)煤層的影響效果，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)兩種增透技術(shù)對(duì)煤的影響展開模擬，分析水力造穴和水力割縫對(duì)煤的應(yīng)力變化和位移變化的影響[11-14]。造穴和水力割縫對(duì)煤的應(yīng)力變化和位移變化影響如圖8～圖14所示。

圖8 水力造穴對(duì)煤層影響位移云圖

圖9 水力割縫對(duì)煤層影響位移云圖

圖10 水力造穴和水力割縫后煤體豎直應(yīng)力分布垂直鉆孔剖面圖

圖11 水力造穴和水力割縫后煤體豎直位移分布垂直鉆孔剖面圖

圖12 水力造穴和水力割縫后煤體水平位移分布沿鉆孔剖面圖

圖13 水力造穴和水力割縫后煤體豎直應(yīng)力分布沿鉆孔剖面圖

圖14 水力造穴和水力割縫后煤體應(yīng)力分布沿鉆孔剖面

由圖8～圖14可知，水力造穴增透技術(shù)單個(gè)穴出煤量大，影響范圍廣，對(duì)煤體產(chǎn)生的位移影響大于單個(gè)割縫的效果，因此破碎煤體增加其透氣性的效果也好于單個(gè)縫[15-16]。但是由于成本控制，每個(gè)鉆孔造穴數(shù)量有限，各穴之間間距為10 m.由圖8和圖12(b)可知，兩穴之間存在較大的未受影響區(qū)域，即增透空白帶，割縫技術(shù)雖然單個(gè)縫的出煤量及影響范圍小于造穴，但其增透影響區(qū)域可實(shí)現(xiàn)有效串聯(lián)，增透空白區(qū)域小，因此增透效果優(yōu)于造穴技術(shù)。

4 抽采效果分析

為了檢驗(yàn)水力割縫與水力造穴增透技術(shù)對(duì)低透氣煤層的增透效果，項(xiàng)目組對(duì)兩種增透技術(shù)下鉆孔進(jìn)行并網(wǎng)抽采，并對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，從抽采純量來看，水力割縫的效果優(yōu)于水力造穴。由圖15可以觀察到各孔負(fù)壓、濃度、混合流量以及抽采純量。

圖15 抽采效果對(duì)比

如圖15所示，水力造穴(340、342、344)和水力割縫(354、356、358)的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)都低于10%，原因是該區(qū)域鉆孔距壓裂中心較遠(yuǎn)、煤層卸壓效果差、產(chǎn)生裂隙少，且該處煤體強(qiáng)度低、煤層松軟、鉆孔易跨孔堵塞，所以導(dǎo)致瓦斯抽采濃度低。水力造穴(346、348)和水力割縫隙(350、352)鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)均大于30%，說明水力造穴和水力割縫使煤層發(fā)生變形和破壞，產(chǎn)生大量的裂隙，從而提高煤層透氣性。

由圖15(c)可以得出，水力造穴總抽采純量11.43 m3/h，水力割縫隙總抽采純量17.74 m3/h，單日抽采純量提高55.21%.說明水力割縫比水力造穴更能提高鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采效果。

5 結(jié) 語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，提出適用于潞安礦區(qū)實(shí)驗(yàn)礦井的瓦斯卸壓增透技術(shù)方案，在礦井現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，以不增加成本為前提，提出了將水力造穴優(yōu)化為具有聚能效果的水力割縫技術(shù)，有效解決了穴間增透空白帶較多，抽采效果不佳的問題，提高了抽采效率。