高瓦斯低渗煤层水力造穴增透技术优化研究

2022-01-26荆俊杰于丽雅

煤矿安全 2022年1期

荆俊杰，于丽雅，延婧

（1.山西新景矿煤业有限责任公司，山西阳泉 045008；2.山西能源学院，山西晋中 030600；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054）

随着深部煤炭资源开采，煤层瓦斯含量逐渐增加[1-5]，而煤层透气性降低，极大增加了瓦斯抽采的难度。高效的瓦斯抽采技术成为消除煤与瓦斯突出的关键[6-8]，而煤层增透技术是瓦斯抽采的关键一环。水力化技术是深部高瓦斯煤层卸压增透的关键技术[9]。宋晨鹏等[10]研究了水力压裂技术的裂隙发育规律；侯晓伟等[11]探讨了沁水盆地应力作用下水力压裂裂缝展布规律；张小东等[12]探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态；陶云奇等[13]自主搭建实验平台分析了裂隙的具体形态；门晓溪等[14]通过RFPA软件分析了不同压裂角度对裂隙形态的影响；赵瑜[15]运用PPCZ模型分析了裂尖断裂过程对裂缝扩展的影响；张欣玮等[16]自主研发设计出一种自吸式磨料射流割缝喷嘴；袁波等[17]分析了割缝设备的不同参数对流量的影响规律；李晓红等[18]分析了过渡过程中系统能量特性与耗散规律；王刚等[19]研究了定向水力压裂的割缝间距；邹全乐等[20]研究了割缝预抽后瓦斯吸附特性的变化特征；冯丹等[21]利用自主研发的物理模拟实验装置针对松软煤层水力造穴后的卸压特性进行了研究；王新新等[22]借助软件模拟水力造穴后煤层裂隙发育的过程；郝富昌等[23]从理论着手分析了孔径变化规律；陶云奇等[24]利用自主研发的水力造穴试验装置开展了水力造穴及瓦斯抽采试验研究，并基于抽采情况对增透效果进行了评价。目前为止，关于水力化技术专家学者在实验、模拟、现场等方面取得了一定成果，但是关于造穴效果影响因素尚不明确，具体的造穴参数分析近乎空白。为此，基于前人所做的研究，采用物理相似模拟的方法对煤样水力造穴，从多层面分析造穴参数对造穴效果的影响，并选取潞安集团某矿进行现场效果验证。

1 试验准备

1.1 试验装置

试验装置采用自主研发的水力造穴试验平台,平台由高压水泵站和钻冲一体化钻机2部分组成，试验平台设计如图1。

图1 试验平台设计Fig.1 Experimental platform design

最大水压力为25MPa，钻杆直径为10mm。试验煤样取自山西某矿，煤层煤样普氏系数1.1 ，瓦斯压力0.45 ～0.77MPa。

试验箱体内空尺寸为1000mm×500mm×500 mm，试件箱的尺寸可以更好地模拟煤层不同位置的物理参数，提高试验的准确度。

在试件内部分层均匀布置有36个气体压力传感器，依次编号为1～36，传感器布置如图2。为准确表达传感器的分布位置，采用空间坐标的方式对其进行标记。图中P′为xy平面的传感器位置，P（xp，yp，zp）为传感器布置的空间位置。

图2 传感器布置Fig.2 Sensor layout

1.2 试验方法

为了探究水力造穴现场作业的关键影响因素：出煤量、造穴次数及穴间距对卸压效果的影响，设计了单一变量试验，通过对水力造穴前后的气体压力进行对比分析，进而判断3个因素对煤样卸压效果的影响。

为探究3个因素之间是否存在交互作用，交互作用是否对卸压效果产生较大影响，设计出煤量A、造穴次数B、穴间距C3因素3水平17组试验。选取抽采过程中时间t=100min测试其瓦斯压力，将瓦斯压力输入Design-Expert得到每2个因素间的优化等高线及响应曲面，分析各因素间交互作用对试验结果的影响。

1.3 试验步骤

1）制备试验所需煤样、安设传感器、试验箱体密封，开启数据采集仪。

2）将瓦斯气体注入制备好的煤样，并将瓦斯压力保持在0.8MPa左右。

3）水力造穴试验。调节钻杆位置和高压水泵水压，改变单一变量开始单因素试验，试验完静置测瓦斯含量。

4）开展多因素水力造穴试验，重复步骤2）。

5）试验结束后，停止地应力加载并关闭数据采集系统。

2 造穴试验效果

2.1 单因素试验

为探究出煤量、造穴次数、孔间距对水力造穴的影响，设置多组单因素试验进行考察，单孔出煤量对残余瓦斯含量的影响如图3。

图3 单孔出煤量对残余瓦斯含量的影响Fig.3 Effect of coal output on residual gas content

从图3可以看出，当单孔出煤量为0.3t时，瓦斯含量由原始含量10.8m3/t降低为7.74m3/t。随着出煤量的增加，瓦斯含量逐渐下降且趋势逐渐减缓。瓦斯含量逐渐下降的主要原因是初始状态煤中瓦斯吸附解吸达到动态平衡状态，随着出煤量的增加破坏了这种动态平衡，促进吸附态瓦斯解吸转变为游离态发生自由逸散，导致煤中残余瓦斯含量降低。

设置7组单因素试验，探究单孔造穴次数对水力造穴的影响，造穴次数对残余瓦斯含量的影响如图4。

图4 造穴次数对残余瓦斯含量的影响Fig.4 Effect of single hole flushing times on residual gas content

当单孔造穴次数为9次时，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低为7.7m3/t，随着造穴次数的增加，煤的致密状态发生改变，透气性增加，漏气通道发育演化，瓦斯由原来的吸附状态从漏气通道中逸散，残余瓦斯含量降低到7.23m3/t。

为探究孔间距对水力造穴的影响，设置7组单因素试验进行考察，孔间距对残余瓦斯含量的影响如图5。当孔间距为11m时，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低为7.92m3/t。随着孔间距的降低，瓦斯进一步解吸。当孔间距为5m时，残余瓦斯含量降低至7.51m3/t。

图5 孔间距对残余瓦斯含量的影响Fig.5 Effect of hole spacing on residual gas content

2.2 响应面多因素分析

中心组合试验设计方案中的因素及水平见表1。根据Box-Benhnken理论，设计了17组试验方案，试验方案与结果见表2。

表1 中心组合试验设计方案中的因素及水平Table1 Factors and levels used in the Box-Behnken design

表2为17组试验对应残余气体含量，对表2数据进行方差分析，多种模型分析见表3，相关系数分析见表4。

表2 试验方案与结果Table2 Experimental programs and results

表3 多种模型分析Table3 Multiple model analysis

由表4可以看出，线性模型的相关系数R2校正值为0.0335 ，2FI模型的相关系数校正值为-0.1741 ，二次模型的相关系数校正值为0.9600 ，三次模型的相关系数校正值为0.9534 ，相关系数R2校正值是评价试验数据与拟合函数之间吻合程度的特征指标，R2校正值越接近1，则表示数据与选取函数模型拟合程度越高。因此Design-Expert软件推荐使用二次模型，该模型偏差最小，拟合度最强。

表4 相关系数分析Table4 Correlation coefficients analysis

对试验结果进行数学模型拟合与回归分析，得到残余瓦斯含量E的拟合回归模拟方程为：

E=38.22-1.45A-1.424B-6.06C+0.2875AB+0.0375AC+0.0125BC-1.87A2+0.047B2+0.38C2

学生化残差的正态概率分布图如图6，各点均匀分布大体呈现1条直线，表明二次模型准确可靠。

图6 学生化残差的正态概率分布图Fig.6 Normal probability plot of student residuals

响应面二次模型及方差分析结果见表5，P值反映了显著程度，P值越小则表示模型越显著。建立模型F值为43.68 ，P值小于0.0001 ，显示试验所建立的二次回归模型极显著；失拟项中，F=4.29 ，P=0.0966 ，表示失拟项不显著；模型相关系数R2=0.96 ，说明残余瓦斯含量的变化有96.00 %源自所选变量。显著性检验中，A、B、C3个因素P值均小于0.05 ，表示3项指标显著，且各因素显著性影响大小排序为：单孔造穴次数B＞单孔出煤量A＞孔间距C；一次项PAB=0.0031 ，PAC=0.7812 ，PBC=0.3680 ，显著性排序为AB＞BC＞AC，AB的交互作用最为显著。

表5 响应面二次模型及方差分析结果Table5 Analysis of variance for the response surfacequadratic model and regression coefficients

为了更加形象直观的表现3种因素的交互作用，Design-Expert根据上述数据绘制出各自变量之间的优化等高线及各自变量之间的响应曲面，各自变量之间的优化等高线如图7，各自变量之间的响应曲面如图8。

图7 各自变量之间的优化等高线Fig.7 Optimized contours between the respective variables

图8 各自变量之间的响应曲面Fig.8 Response surface between the respective variables

由图7可知，颜色由蓝到红表示关联性的由弱至强，AB曲线明显比AC曲线和BC曲线变化快、坡度大，即AB交互作用更强，出煤量与造穴次数的交互作用对试验结果的影响更为显著。

曲面的平缓程度可以反映交互作用的显著性与大小，即曲面的曲率越大，交互作用越大。从图8可以看出，曲面最陡的为图8（a），AB的交互作用对残余瓦斯含量影响最大，而最弱的是AC。出煤量与造穴次数对瓦斯吸附解吸影响最大，当出煤量取较大值时，造穴次数越大，对残余瓦斯含量的影响越大；造穴次数和孔间距对残余瓦斯含量的影响次之，当造穴次数取定值时，减小孔间距，残余瓦斯含量发生变化，与单因素试验结果相一致。

对上述所得试验结果进行进一步分析，利用Design-Expert软件得到了1组推荐的试验参数：单孔出煤量为0.7t，造穴次数12次，孔间距8m。

3 本煤层现场试验

山西潞安集团某矿3#煤层平均煤厚6.33m，煤层埋深为283～637m；煤层瓦斯含量为5.25 ～22.49 m3/t；煤层普氏系数平均为1.1 ，属中硬煤。采用上述所得最佳造穴参数对N1105运输巷道进行水力造穴，促进区域预抽煤层瓦斯。

为了排除外界影响因素对瓦斯体积分数的影响，试验决定以同一区域的钻孔进行对比分析，在N1105运输巷道布置2个试验造穴孔和6个普通孔，现场钻孔布置图如图9，Z1、Z2为试验造穴孔，其余为普通造穴孔。试验造穴钻孔按照单孔出煤量为0.7t，造穴次数12次，孔间距8m作业，造穴水压为20MPa。

图9 现场钻孔布置图Fig.9 Boreholes layout

在防突措施施工后，对运输巷道的瓦斯抽采数据均进行了监测，普通孔与试验孔瓦斯抽采数据对比如图10。

图10 普通孔与试验孔瓦斯抽采数据对比Fig.10 Comparison of gas extraction data between ordinary and test holes

由图10（a）可以看出，试验孔的瓦斯体积分数高于普通孔的瓦斯体积分数，且试验造穴孔的平均瓦斯抽采体积分数可达45%以上，而普通造穴孔的平均瓦斯抽采体积分数约为18%，且试验孔抽采瓦斯体积分数下降趋势较普通孔更慢；由图10（b）可以看出，普通造穴孔瓦斯抽采量约为12L/min，造穴孔瓦斯抽采量可达40L/min以上。这是由于水力造穴施工后，煤体孔裂隙加大，由于进行瓦斯抽采，吸附状态的瓦斯解吸从煤层中逸出；同时由于水的流变作用，扩大了卸压影响范围，在造穴后残余瓦斯含量明显下降。这表明水力造穴技术起到了卸压增透的作用。