王俊虎

(山西焦煤西山煤電 杜兒坪礦,山西 太原 030022)

目前煤層增透技術(shù)主要依靠增加鉆孔密度、數(shù)量,利用孔壁對(duì)煤層泄壓的工藝技術(shù)。此工藝未對(duì)煤層造成大的傷害,但對(duì)煤層的增透力度不夠,在孔周圍形成的裂隙難以深入煤層內(nèi)部,所以抽采量衰減很快?？煽貨_擊波增透煤層時(shí),有多個(gè)參數(shù)可供選擇,在不傷害煤層的前提下,溝通煤層中的裂隙,起到有效增透的目的。控制增透效果的主要參數(shù)有:沖擊波的強(qiáng)度、單點(diǎn)沖擊波作業(yè)次數(shù)、增透作業(yè)段間距[1]。

注氣驅(qū)替技術(shù)主要是利用氣體的驅(qū)動(dòng)作用和置換作用,促進(jìn)瓦斯的解吸擴(kuò)散,提高瓦斯采收速率。目前注氣驅(qū)替效果不好,主要原因是注入氣體沒有形成豐富的滲流通道[2],而通過可控沖擊波對(duì)煤層增透以后,可顯著改善煤層滲透性能。注入高壓氣體提高了煤層能量,加快了煤層瓦斯的滲流速度,進(jìn)一步促進(jìn)了瓦斯的解吸擴(kuò)散,縮短了瓦斯采收時(shí)間,有利于礦山瓦斯治理。

1 地質(zhì)概況

杜兒坪煤礦主采8號(hào)煤層,平均煤厚4.59 m,傾角3°,f值為1～2,頂板為石灰?guī)r,底板為細(xì)砂巖。依據(jù)沈陽煤科院的瓦斯參數(shù)鑒定報(bào)告,8號(hào)煤噸煤瓦斯含量為6.94～10.98 m3,煤層透氣性系數(shù)為1.1～1.27 m2/MPa2·d.煤層孔隙率為3.55～5.71,屬可以抽放-較難抽放煤層。預(yù)抽時(shí)間長、瓦斯抽采率低、采掘接替緊張、工作面瓦斯治理困難等問題,已經(jīng)嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)。

2 增透工藝設(shè)計(jì)

1) 根據(jù)沖擊波產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)可控沖擊波增透技術(shù)在杜兒坪煤礦8號(hào)煤層增透時(shí)的試驗(yàn)孔參數(shù)、試驗(yàn)孔布置方式、抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測方案和沖擊波增透工藝方案。獲得增透試驗(yàn)前后試驗(yàn)孔瓦斯初始流量和瓦斯衰減系數(shù),通過不同點(diǎn)位、不同沖擊次數(shù)的對(duì)比,比較孔中瓦斯初始流量、瓦斯衰減系數(shù)與觀測孔距離的變化,分析增透工藝的有效范圍,為沖擊波增透效果提供現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2) 根據(jù)杜兒坪煤礦煤層物性和瓦斯抽采規(guī)律,在8號(hào)煤層北一膠帶機(jī)大巷后部瓦斯抽放鉆孔中,設(shè)計(jì)兩輪實(shí)驗(yàn)。其中第一輪以單個(gè)鉆孔的抽采數(shù)據(jù)驗(yàn)證作業(yè)工藝參數(shù),并研究有效作用范圍;第二輪以區(qū)域抽采數(shù)據(jù)驗(yàn)證作業(yè)工藝參數(shù),并研究有效作用范圍,進(jìn)行可控沖擊波增透與注氣驅(qū)替瓦斯治理試驗(yàn)[3]。

3) 增透設(shè)備入孔及封孔。使用全液壓定向鉆機(jī)及配套Φ73/89 mm中心通纜式鉆桿輔助將可控沖擊波產(chǎn)生裝置推送/抽出鉆孔,鉆機(jī)輔助推送示意如圖1所示。①移動(dòng)定向鉆機(jī),為設(shè)備入孔騰出空間。首先將可控沖擊波產(chǎn)生裝置送入孔內(nèi),操作鉆機(jī)將鉆桿與可控沖擊波產(chǎn)生裝置連接,擰緊后開始向孔內(nèi)推送,送入深度以連接桿數(shù)量和增透設(shè)備長度進(jìn)行計(jì)算;②在推送期間,必須保證鉆機(jī)夾持器牢靠地夾緊鉆桿,嚴(yán)禁設(shè)備入孔期間轉(zhuǎn)動(dòng),并且推送時(shí)鉆機(jī)油壓控制在4 MPa以內(nèi);③可控沖擊波產(chǎn)生裝置到達(dá)孔內(nèi)設(shè)計(jì)位置后,開始安裝孔口密封裝置,與封孔管法蘭盤進(jìn)行對(duì)接; ④往鉆孔內(nèi)注水,待孔口出清水無煤渣后,孔外脈沖電源控制器加電準(zhǔn)備作業(yè),人員撤離鉆場,警戒,開始電脈沖增透作業(yè)。

圖1 鉆機(jī)輔助推送作業(yè)簡圖

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

根據(jù)實(shí)施計(jì)劃,按期完成所需鉆孔施工后,每一個(gè)鉆孔接通單獨(dú)的孔板流量計(jì),所有試驗(yàn)孔接通一個(gè)用于監(jiān)測總流量的孔板流量計(jì)。在鉆孔施鉆的同時(shí),對(duì)煤體瓦斯壓力、瓦斯含量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測定,作為增透作業(yè)前的原始樣本。作業(yè)前的抽采數(shù)據(jù)檢驗(yàn),使用現(xiàn)有的技術(shù)手段獲得施鉆期間鉆孔區(qū)域煤層的瓦斯含量、透氣性系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。增透和觀測鉆孔各安裝1個(gè)單獨(dú)孔板流量計(jì),每組鉆孔安裝1個(gè)總量閥門與孔板流量計(jì)進(jìn)行觀測,在全部試驗(yàn)組總管路上安裝1臺(tái)在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,抽采管道內(nèi)的負(fù)壓參數(shù)以該礦現(xiàn)行參數(shù)進(jìn)行控制。

4 作業(yè)工藝和方案

本次可控沖擊波增透試驗(yàn)在北一膠帶機(jī)大巷后部開展,根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案施工增透及觀測鉆孔。選定的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)有足夠的通風(fēng)、供水、供電和瓦斯抽放、監(jiān)測系統(tǒng),具備沖擊波作業(yè)條件。第一輪試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置如圖2所示。

圖2 第一輪試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置圖

現(xiàn)場試驗(yàn)分為兩輪開展,第一輪試驗(yàn)由4個(gè)增透鉆孔組成,在每個(gè)瓦斯增透鉆孔的不同間距上安排2個(gè)觀測鉆孔,在Z-1和Z-4兩個(gè)增透孔外側(cè)安排兩個(gè)注氣孔B-1、B-2.第二輪實(shí)驗(yàn)為區(qū)域驗(yàn)證,設(shè)計(jì)6個(gè)鉆孔,分別編號(hào)為Z-5～Z-10,其中Z-5號(hào)為抽采孔,與Z-6號(hào)間距為10 m,Z-10號(hào)為注氣孔,與Z-9號(hào)間距為10 m,Z-6～Z-9號(hào)為增透鉆孔,每個(gè)鉆孔間距為15 m.Z-6～Z-9號(hào)增透后,Z-7號(hào)、Z-8號(hào)、Z-9號(hào)分別連接抽采系統(tǒng)直接抽采,Z-6號(hào)作為注氣孔間歇注氣,Z-5號(hào)作為抽采孔抽采。

在第一輪試驗(yàn)中,4個(gè)本煤層增透鉆孔編號(hào)依次為Z1～Z4;8個(gè)本煤層觀測鉆孔,編號(hào)依次為G1～G8,增透與觀測鉆孔的孔深為200 m.在Z-1號(hào)和Z-4號(hào)兩個(gè)增透孔外側(cè)安排兩個(gè)注氣孔B-1、B-2,與普通抽采鉆孔直徑相同,孔深也為200 m.第二輪設(shè)計(jì)6個(gè)鉆孔,編號(hào)依次為Z-5～Z-10號(hào),Z-6～Z-9號(hào)為本煤層增透鉆孔,Z-6號(hào)孔先進(jìn)行增透后作為注氣孔使用,Z-5號(hào)作為抽采孔使用,Z-10號(hào)作為注氣孔使用。兩輪次的鉆孔共計(jì)需施工20個(gè)鉆孔。

前3輪實(shí)驗(yàn)中,每輪分別進(jìn)行3組參數(shù)的試驗(yàn)。即一個(gè)作業(yè)間距對(duì)應(yīng)3種單點(diǎn)作業(yè)次數(shù),并在不同距離上觀察實(shí)驗(yàn)效果。鉆孔布置示意如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意

試驗(yàn)孔及觀測孔的布孔間距、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜绫?所示。

在第一輪井下增透試驗(yàn)中進(jìn)行4個(gè)鉆孔的驗(yàn)證性試驗(yàn),用于探索適用于目標(biāo)煤層的可控沖擊波作業(yè)參數(shù),鉆孔組間距20 m.在Z-1號(hào)右側(cè)10 m處打平行鉆孔,作為注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)孔,要求孔徑為133 mm,孔深200 m,使用內(nèi)徑133 mm的封孔管封孔10 m,封孔管孔口應(yīng)有Φ133 mm的法蘭盤;Z-1號(hào)、Z-2號(hào)鉆孔作業(yè)參數(shù)以前期工作為基礎(chǔ),對(duì)試驗(yàn)孔開展增透試驗(yàn)。試驗(yàn)孔中單點(diǎn)作業(yè)5次,作業(yè)間距每9 m為1個(gè)作業(yè)點(diǎn),同時(shí)對(duì)孔口保留30 m不作業(yè)。觀測孔分別距離試驗(yàn)孔5 m、10 m,試驗(yàn)孔與觀測孔處于同一水平線上。Z-1號(hào)鉆孔增透作業(yè)后,退出設(shè)備并排干孔內(nèi)的集水,與抽采管路連接進(jìn)行抽采。Z-1號(hào)鉆孔接入抽采系統(tǒng)后,B-1號(hào)注氣孔連接空壓注氣管路,保持0.4 MPa壓力連續(xù)注氣驅(qū)替。Z-3號(hào)、Z-4號(hào)鉆孔作業(yè)參數(shù)調(diào)整目的:孔口保留40 m不作業(yè),作業(yè)點(diǎn)間距擴(kuò)大為12 m,每個(gè)作業(yè)點(diǎn)作業(yè)8次。以分散作業(yè)點(diǎn)間距,增加單點(diǎn)作業(yè)次數(shù)增加鉆孔增透的效果。 Z-4號(hào)鉆孔增透作業(yè)后,退出設(shè)備并排干孔內(nèi)的集水,接入抽采系統(tǒng); B-1號(hào)注氣孔待Z-4號(hào)鉆孔接入抽采系統(tǒng)后連接壓風(fēng)管路,保持0.4 MPa壓力間歇注氣驅(qū)替。由于Z-1～Z-4號(hào)鉆孔打鉆時(shí)間相隔較長,要記錄實(shí)驗(yàn)開始前已打鉆孔的瓦斯抽采量。

表1 井下增透試驗(yàn)輪次及組次

在第二輪增透驅(qū)替試驗(yàn)中,根據(jù)第一輪作業(yè)期間鉆孔變化及后期抽采量變化情況,對(duì)本輪次鉆孔開展作業(yè),驗(yàn)證最優(yōu)作業(yè)參數(shù)和增透抽采效果,試驗(yàn)組間距30 m.

5 增透效果檢測及經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)項(xiàng)目約束性指標(biāo),將增透作業(yè)鉆孔與不增透的常規(guī)鉆孔抽采效果進(jìn)行對(duì)比,最終以達(dá)到或超過項(xiàng)目規(guī)定的約束性指標(biāo)為評(píng)判增透作業(yè)效果的依據(jù)[4]。

其衰減變化規(guī)律通常用下式來描述:

qt=q0e-αt

式中:qt為自排時(shí)間t的鉆孔自然瓦斯涌出量,m3/min;q0為自排時(shí)間t=0時(shí)的鉆孔自然瓦斯涌出量,m3/min;α為鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數(shù),d-1;t為鉆孔自排瓦斯時(shí)間,d.

q0和α值是通過測定不同時(shí)間的鉆孔自然瓦斯涌出量并按上式回歸分析求得的,并可以得到任意時(shí)間t內(nèi)鉆孔自然瓦斯涌出總量Qt.

即:Qt=Qj(1-e-αt)

式中:Qt為時(shí)間t內(nèi)鉆孔自然瓦斯涌出總量,m3;Qj為鉆孔極限瓦斯涌出量,Qj=q0/α, m3.瓦斯流量變化曲線如圖4、圖5所示,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測定結(jié)果如表2所示。

表2 煤層瓦斯自然涌出特征計(jì)算結(jié)果

圖4 普通鉆孔瓦斯流量衰減曲線

圖5 增透鉆孔瓦斯流量衰減曲線

從表2及圖6中可以得出,煤層采用可控沖擊波煤層增透與注氣驅(qū)替技術(shù)后,百米鉆孔初始瓦斯涌出速度降低了22.324 4 L/min,鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)降低了0.003 9 d-1.目前第一實(shí)驗(yàn)階段已經(jīng)初步開展,通過實(shí)驗(yàn)選取最佳的驅(qū)替壓力[5]。從目前所打鉆孔可以看出,北一膠帶機(jī)大巷通過實(shí)施抽采負(fù)壓13 600 Pa,節(jié)流350 Pa,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為45%,抽采純量為8.03 m3/min.抽采純量提高了3.72 m3/min.全年發(fā)電量提高了6 397 568 kW·h.統(tǒng)計(jì)分析不同驅(qū)替方式對(duì)增透煤層瓦斯抽采量的影響,選擇合適的驅(qū)替方式。通過評(píng)價(jià)增透孔注氣驅(qū)替與注氣孔直接驅(qū)替達(dá)到的瓦斯治理效果,優(yōu)化聯(lián)合治理瓦斯方案。結(jié)合水力壓裂技術(shù),提高礦井抽放量。