徐 寧
(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司,山西 長治 046103)
余吾煤業(yè)主采3號煤層,平均厚度6.06 m,屬于近水平緩傾斜煤層,瓦斯壓力為0.42~0.45 MPa,煤層透氣性系數(shù)0.146 0~1.093 8 m2/MPa2·d,屬于不易抽采至可以抽采煤層[1]。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是該礦主要瓦斯治理措施,但鉆孔抽采純量較低,平均單孔抽采純量僅為0.015 m3/min,抽采效果一般,無法快速降低煤體瓦斯含量,在工作面回采過程中,各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛容^高,影響正?;夭勺鳂I(yè)。
為提高順層鉆孔抽采純量,近幾年余吾煤業(yè)積極開展了水力化增透措施考察,先后進(jìn)行了超高壓水力割縫、水力造穴技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果。
超高壓水力割是縫通過高壓裝置將高壓水(90~100 MPa)送至鉆孔孔底,利用高壓水切割煤體。通過高能量的超高壓水射流破碎煤體,形成直徑較小的縫槽,然后在煤體應(yīng)力、瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下破碎鉆孔周圍的煤體??p槽周圍煤體向縫槽空間發(fā)生位移,煤體位移的作用由縫槽壁緩慢地向周圍煤體傳播,應(yīng)力集中范圍也不斷向深部轉(zhuǎn)移,擴(kuò)大了割縫的卸壓排放瓦斯范圍。割縫破壞了原來的煤體應(yīng)力狀態(tài),形成卸壓區(qū),在煤層卸壓區(qū)域內(nèi),原有裂隙的張開、擴(kuò)展以及新破壞裂隙的形成,使其透氣性顯著提高,從而可以有效地提高瓦斯排放效率[2]。
水力造穴增透是在鉆孔內(nèi)用高壓水(20~50 MPa)射流對鉆孔周圍煤體進(jìn)行切割,在鉆孔周圍形成一系列具有一定寬度和長度的穴洞空間,利用水流將切割下來的煤體帶出孔外。在鉆孔內(nèi)部形成可控的空間,使煤體卸壓。卸壓的煤體彈性能得到釋放,煤層中的瓦斯得到充分解吸和釋放,從而釋放出瓦斯內(nèi)能,降低煤體瓦斯含量[3]。
圖1 超高壓水力割縫示意
圖2 水力造穴示意
超高壓水力割縫、水力造穴工藝均是利用高壓水通過噴嘴形成高壓水射流,對鉆孔煤體進(jìn)行切割,其中水力割縫水壓為90 MPa,切割煤體形成外窄內(nèi)寬縫槽,縫槽寬度為2~5 cm,單刀出煤量約為0.3 t,割縫間距約為3~4 m時(shí),鉆孔平均出煤量為6.39 t,割縫間距為2 m時(shí),鉆孔平均出煤量為16.56 t。水力造穴水壓為40~50 MPa,切割煤體形成煤穴,煤穴長度為1 m,造穴間距為6 m,平均單穴出煤量約為1.51 t,鉆孔平均總出煤量為19.63 t。
余吾煤業(yè)超高壓水力割縫、水力造穴均選用重慶煤科院GF-100型超高壓水力割縫裝置,該裝置能夠提供0~100 MPa高壓水,額定流量為125 L/min,其中水刀噴嘴直徑為2.5 mm,鉆桿為直徑73 mm淺螺旋鉆桿,鉆頭直徑為113 mm?,F(xiàn)場施工時(shí),先使用鉆頭、水刀依次連接鉆桿鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度,在退鉆過程中,根據(jù)割縫、造穴間距,通過調(diào)整增壓泵水壓,從而完成割縫、造穴作業(yè)。部分試驗(yàn)孔試驗(yàn)參數(shù)見表1。
表1 水力割縫、水力造穴鉆孔試驗(yàn)參數(shù)(部分)
表2 水力割縫、水力造穴鉆孔、普通孔抽采純量對比 m3/min
為對比水力割縫、造穴抽采效果,從等效半徑、單孔抽采純量、抽采純量變化、工藝對比等四個(gè)方面進(jìn)行分析,具體如下。
割縫、造穴壓力分別為90 MPa、40~50 MPa,煤體在高壓水的作業(yè)下被切割為小顆粒,在水和螺旋鉆桿的共同作用下,順利排到孔口,割縫、造穴過程中未出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象,在計(jì)算割縫、造穴半徑時(shí),可以把割縫、造穴形成的空間視為一個(gè)圓柱體,根據(jù)公式反算等效半徑:
M=π×r2×h×K×γ
π為圓周率 3.14;M為造穴、割縫后排出煤屑量t;K為煤量損失不均衡系數(shù) 0.8~0.95,根據(jù)返水返渣情況此按0.91取值(實(shí)際鉆孔為俯孔,鉆孔深部切割、造穴煤渣經(jīng)過鉆桿長距離研磨,到孔口成粉末狀)[4];r為造穴、縫隙的等效半徑,m;h為造穴、縫隙的寬度,m,考慮到縫槽為外寬內(nèi)窄不規(guī)則槽形割縫后縫隙的平均寬度按2~5 cm計(jì)算,造穴長度為1 m;γ為煤的容重,γ=1.39 t/m3。
1) 割縫孔。割縫試驗(yàn)孔平均單刀出煤量為0.31 t,根據(jù)公式反算在每刀平均排出屑量M=0.31 t的條件下,割縫后形成縫槽半徑:
r=1.25~1.97 m
2) 造穴孔。造穴孔造穴長度為1 m,平均單次出煤量為M=1.34 t,得出造穴鉆孔有效半徑r=0.58 m。即割縫孔有效半徑為造穴孔的2.16~3.4倍。
選擇抽采時(shí)間均為60 d的割縫孔、造穴孔、普通孔抽采純量進(jìn)行對比,其中割縫孔28個(gè)、造穴孔8個(gè)、普通孔5個(gè)。同時(shí)由于鉆孔深度不一,抽采純量存在差異,特將鉆孔抽采純量換算為“百米鉆孔抽采純量”進(jìn)行對比。
圖3 水力割縫孔、造穴孔、普通孔抽采純量對比
1) 平均抽采純量:普通孔平均抽采純量為0.015 m3/min,割縫孔平均抽采純量為0.055 m3/min,造穴孔平均純量為0.1 m3/min,顯然造穴孔平均抽采純量最高,分別為割縫孔、普通孔的1.82倍、6.7倍。
2) 平均最大抽采純量:普通孔平均最大抽采純量為0.024 m3/min,割縫孔平均最大抽采純量為0.131 m3/min,造穴孔為0.25 m3/min,造穴孔平均最大抽采純量分別為割縫孔、普通孔的1.91倍、10.42倍。
可以得出,在帶抽時(shí)間60 d情況下,在鉆孔平均抽采純量、平均最大抽采純量方面,造穴孔均高于割縫孔、普通孔,說明鉆孔經(jīng)過水射流進(jìn)行“鉆擴(kuò)孔”,形成一定長度的煤穴,提高了煤體透氣性,為瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件,大大增加了鉆孔抽采純量。
為考察割縫孔、造穴孔、普通孔純量變化規(guī)律,選擇帶抽時(shí)間60 d以上鉆孔進(jìn)行分析,由于割縫孔、造穴孔數(shù)量較多,因此選擇S31~S35號割縫孔、Z1~Z3號孔進(jìn)行對比。
圖4 超高壓水力割縫鉆孔純量變化趨勢
1) 由圖4、圖5可以看出,造穴孔、割縫孔均是在采用水力化卸壓增透措施后,鉆孔內(nèi)部煤體暴露面積增大,煤體卸壓,促進(jìn)煤體瓦斯解析,煤層透氣性顯著增加,鉆孔煤壁大量游離瓦斯涌出,造成初期抽采純量大;隨著時(shí)間的推移,鉆孔附近煤體瓦斯含量顯著下降,而此時(shí)由于抽采時(shí)間較短,深部瓦斯尚未運(yùn)移至鉆孔處,同時(shí)由于孔內(nèi)積水,煤壁瓦斯被積水掩蓋,這也就造成了純量顯著下降的現(xiàn)象。隨著后期抽采時(shí)間的繼續(xù)增加,孔內(nèi)積水不斷被抽走,深部瓦斯將陸續(xù)運(yùn)移至鉆孔處,則出現(xiàn)抽采純量上升的現(xiàn)象。抽采純量上升后煤體游離瓦斯不斷減少,吸附瓦斯開始解析,二者達(dá)到一個(gè)相對平衡狀態(tài),即純量出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定[5]。
圖5 水力造穴鉆孔純量變化趨勢
2) 造穴孔:Z1~Z3號孔分別經(jīng)過13 d、17 d、22 d分別趨向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min,平均時(shí)間為17 d。割縫孔:S31~S35號孔分別經(jīng)過34 d、5 d、16 d、9 d和21 d分別趨向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min、0.04 m3/min和0.05 m3/min,其中S32號孔與418號孔輕微串孔,因此純量衰減較快,即S31~S32號、S34~S35號孔平均時(shí)間為20 d,普通鉆孔純量衰減期為7~10 d。顯然造穴孔、割縫孔純量衰減時(shí)間均長于普通孔,主要原因?yàn)殂@孔經(jīng)過水力化措施后,煤壁暴露面積增大,煤體透氣性改善,造成帶抽前期瓦斯抽采純量較大。
1) 施工時(shí)間。割縫、造穴區(qū)間均為30~120 m,割縫孔間距2 m,平均單次高壓切割時(shí)間為10 min,每個(gè)孔割46刀,共用時(shí)7.67 h;造穴孔間距6 m,造穴長度為1 m,每個(gè)孔造13個(gè)穴,每個(gè)穴用時(shí)30 min,共用時(shí)6.5 h。即造穴孔比割縫孔節(jié)省1.17 h。
2) 安全系數(shù)。造穴孔高壓水壓力為40~50 MPa,割縫孔高壓水壓力為90 MPa,壓力越高,對于高壓泵、高壓膠管、鉆桿密封安全要求也相應(yīng)提高,因此從施工安全角度考慮,造穴工藝優(yōu)于割縫工藝。
1) 超高壓水力割縫、水力造穴工藝均是利用高壓水通過噴嘴形成高壓水射流,對鉆孔煤體進(jìn)行切割,增加鉆孔煤壁暴露面積,提高瓦斯抽采效率。其中割縫孔、造穴孔等效半徑分別為1.25~1.97 m、0.58 m,即割縫孔有效半徑為造穴孔的2.34~3.71倍。
2) 造穴鉆孔經(jīng)過水射流進(jìn)行“鉆擴(kuò)孔”,形成一定長度的煤穴,提高了煤體透氣性,為瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件,鉆孔抽采純量優(yōu)于割縫鉆孔。
3) 在施工時(shí)間方面,造穴孔比割縫孔節(jié)省1.17 h,在安全系數(shù)方面,造穴工藝優(yōu)于割縫工藝。
4) 綜上所述,對于單一低滲煤層來說,水力造穴技術(shù)優(yōu)于超高壓水力割縫技術(shù),目前余吾煤業(yè)正在井下推廣應(yīng)用。