松软煤层煤巷掘进条带瓦斯治理技术研究

2020-07-18黄旭超

矿业安全与环保 2020年3期

黄旭超

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

新疆艾维尔沟矿区2130煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，所开采的4号煤层为松软、低透气性突出煤层。由于煤层渗透率低，抽采钻孔成孔效果差，导致常规技术治理煤层瓦斯的效率较低，严重影响了矿井的正常生产接续。因此，利用可靠的先进技术提升煤层透气性和钻孔成孔率[1-2]，提高钻孔利用率及瓦斯抽采效率，缩短瓦斯治理时间，成为4号煤层煤巷条带瓦斯高效抽采亟待解决的技术难题。

定向钻进技术及装备自“十一五”期间以来取得了长足发展，基于井下定向长钻孔的瓦斯抽采技术和配套装备已在贵州、山西、淮南等地成功应用。瓦斯抽采技术和装备日渐成熟，目前已广泛应用于煤矿瓦斯抽采领域，具有钻孔轨迹可控，能有效提高钻孔成孔率、利用率及瓦斯抽采率，降低钻孔施工成本的优势[3-10]。

高压水力压裂技术具有能扩展煤层裂隙、提高煤层透气性、驱替瓦斯、改变应力场、抑尘等作用，是改造煤储层性质的重要技术手段之一，为低渗透性突出煤层煤巷条带瓦斯治理提供了一条安全、快捷的新途径。该技术已在我国部分大中型煤矿成功应用，正在被大范围推广应用，应用效果良好[11-20]。笔者以2130煤矿4号煤层煤巷条带瓦斯抽采为研究对象，利用千米定向钻机施工长钻孔，根据4号煤层赋存情况和顶底板岩层情况开展低渗透性突出煤层煤巷条带定向长钻孔水力压裂及抽采试验，以期为新疆艾维尔沟矿区及具有相似地质条件的矿井瓦斯治理提供借鉴。

1 煤层概况

2130煤矿为煤层群开采，4号煤层为主采煤层，大部分可采、赋存稳定，结构为简单—中等，含0～2层粉砂岩夹矸。煤层走向近东西，倾角37°～42°，平均厚度2.8 m，埋深约540 m，与上部3号煤层间距为15.66～28.15 m，平均约21.29 m，与下部5号煤层间距为17.00～54.00 m，平均约33.70 m。4号煤层顶板大部分为粗砂岩，局部夹中砂岩，底板为深灰—灰黑色粉、细砂岩。4号煤层瓦斯基本参数如表1所示。

表1 4号煤层瓦斯基本参数

4号煤层24223综采工作面运输巷开口标高为+1 971 m，巷道揭开煤层后以-5°的坡度施工135 m后落平至+1 960 m水平，巷道沿4号煤层顶板布置，设计长度为1 350 m，沿中腰线掘进，断面为斜梯状，宽4.0 m，截面面积12.5 m2。低渗透性突出煤层煤巷条带定向长钻孔水力压裂抽采试验选在24223综采工作面运输巷0～450 m段，走向长450 m，倾向长40 m。

2 煤巷掘进条带瓦斯治理

2.1 施工设备

采用ZYWL-6000DS型煤矿用履带式全液压千米钻机施工定向长钻孔，该钻机设计钻进深度大于1 000 m，额定输出转矩为6 000～1 600 N·m，额定输出转速为0～210 r/min，给进起拔力最大为 160 kN；采用BYW315/55型高压泵组，实施定向长钻孔井下水力压裂试验。

2.2 定向长钻孔

2.2.1 定向长钻孔设计

在4号煤层集中运输石门内施工定向钻孔钻场，距离4号煤层底板约25 m。在4号煤层底板设计4个定向长钻孔(主孔)，通过主孔向煤层施工穿层梳状分支孔，1号和4号钻孔控制运输巷道轮廓线上方20 m范围，2号和3号钻孔控制运输巷道轴线标高及下方12 m范围，定向长钻孔设计参数如表2所示。定向钻孔转弯半径较大，靠近钻场附近存在100 m左右范围的空白带，待长钻孔施工完毕后在此区域补充普通短钻孔。

表2 定向长钻孔设计参数

2.2.2 定向长钻孔施工

4个主孔和17个分支孔总长度为3 229 m，见煤段总长度约为848 m。定向长钻孔竣工轨迹如图1所示,定向长钻孔竣工参数见表3。

图1 定向长钻孔竣工轨迹平面图

表3 定向长钻孔竣工参数

2.3 定向长钻孔水力压裂

2.3.1 水力压裂施工

水力压裂方式包括主孔段、分支孔段及全孔段整体压裂。采用压裂钢管和封隔器对3号、4号钻孔封孔并连接管路、设备，在压裂过程中对注水压力与流量的变化情况进行监测。通过在钻孔孔口安装压力传感器对孔内压力的变化情况实施远距离精确监测；通过安装在泵注管路系统中的流量计对流量及压裂液累计注入量实施监控。定向长钻孔水力压裂参数如表4所示。

表4 定向长钻孔水力压裂参数

2.3.2 保压压裂及排水

水力压裂操作完成后，及时关闭孔口压裂管上的高压阀门进行保压，驱使孔内高压水继续压裂扩展裂隙形成煤体裂隙网络。当孔内高压水压力降低至起裂压力时，高压水仍然会通过煤体裂隙出现滤失，使得水压持续下降。保压3 d期间分析孔内压力变化情况，结果表明：孔内水压变化呈现前期快速下降，中期缓慢下降，后期基本不变的特征。保压 3 d 后，钻孔内水压降低至1 MPa左右。保压结束后通过控制高压阀门开启度控制排水速度，使其缓慢排出，防止钻孔壁失稳坍塌，影响瓦斯抽采效果。

3 应用效果

3.1 瓦斯抽采效果

钻孔排水结束后，立即将钻孔并入瓦斯抽采系统抽采瓦斯。抽采期间初始瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)在30%以上，纯瓦斯流量约为2.5 m3/min；随后由于抽采负压的作用，钻孔内排水量增大，瓦斯浓度降至15%左右，纯瓦斯流量约为1.5 m3/min，日抽采瓦斯纯量约为1 000 m3；抽采5个月后，抽采支管路瓦斯浓度约为12%，纯瓦斯流量约为 0.5 m3/min，日抽采瓦斯纯量约为720 m3，累计抽采瓦斯纯量为105 891 m3。定向长钻孔抽采瓦斯纯量变化情况如图2所示。

图2 定向长钻孔抽采瓦斯纯量变化曲线

3.2 水力压裂效果

此次水力压裂的效果及压裂影响范围以煤体中的含水率为评价依据，水分超过原始含水率表明煤体已受水力压裂影响，煤体处在压裂影响范围内。24223运输巷距离开口100 m范围内是定向长钻孔的控制空白带，该范围未进行水力压裂，不适合作为压裂效果考察段。在24223运输巷距离开口300、320、340 m处设置考察点，在各考察点垂直巷道并沿煤层倾向施工顺层钻孔作为水力压裂考察钻孔，每个考察点施工1个钻孔，钻孔倾角42°，每个钻孔取4个煤样测试瓦斯含量和含水率，各煤样含水率如表5所示。