碎软煤层超高压水力割缝增渗技术及应用

2023-03-15耿延辉

煤 2023年3期

耿延辉

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出主要是在地应力和瓦斯压力共同作用下发生，这种说法一直得到许多学者一致赞同。然而，现场统计发现煤与瓦斯突出并不是瓦斯压力起到主要作用[1]，例如，郑州矿区有些煤矿瓦斯压力小于煤与瓦斯突出鉴定临界值0.74 MPa，通过现场施工发现，煤层瓦斯压力虽小，但是煤层瓦斯含量却很大，煤层瓦斯含量接近20 m3/t，鉴定后发现该煤层具有煤与瓦斯突出危险性。对该煤层测得瓦斯压力较小的原因分析可知：该煤层属于非常松软煤层，煤层透气性系数非常低，流离瓦斯占比小于10%，通过现场施工裸孔孔口测得瓦斯浓度小于1%，绝大多数都是0.5%左右，钻孔瓦斯涌出量小，钻孔施工后出现塌孔，从而影响瓦斯抽采效果。为了消除该煤层的突出危险性，一方面需要对于松软特厚煤层只有采取底板巷穿层钻孔抽采工作面瓦斯，消除煤层突出危险性；另一方面需要对该煤层进行卸压增透，加大煤层裂隙为瓦斯运移产生通道[2-3]。

目前，我国超过80%以上的煤矿为地下开采，煤层埋深的增大，使得煤层透气性变小，尤其对松软特厚煤层，透气性更小，虽然煤层节理、裂隙发育好，但是煤层瓦斯流通的通道不连通，增加了煤层瓦斯抽采的难度。为了更好的消除煤层突出性，采用普通抽采钻孔很难抽出煤层瓦斯[4-6]。为了抽采松软特厚煤层瓦斯，相关研究学者进行了大量的试验研究。刘旭东等[1]通过高压水力“割-压”钻孔周围煤体润湿范围演化特征，为“割-压”联合增透条件煤层水分渗流规律，从而判断出水力压裂技术的有效范围；周雷等[7]通过理论研究水力压割联合增透理论，提出了压割联合增透模型，进行了数值模拟压割联合增透的裂隙发育规律，验证了联合增透的效果；林柏泉等[8]研究了水力化技术措施条件下多场耦合作用机理，验证了水力化增透技术在松软煤层中应用效果，结果表明水力化增透作用下大大增加了煤层的透气性系数，抽采达标时间缩短了50%.

鉴于赵家寨煤矿采掘接替紧张现状，决定采用超高压水力割缝增透技术，增加极松软低透气性煤层渗透率，进一步扩大煤体裂隙。最后，通过理论分析、现场试验，验证了超高压水力割缝增透技术，对提高极松软煤层透气性系数具有良好的效果。

1 极松软特厚煤层赋存特征

赵家寨煤矿主要可采煤层为二1煤层，煤层瓦斯赋存规律呈西高东低的特征，最大煤层瓦斯压力0.45 MPa，瓦斯压力整体偏小，但是瓦斯含量整体较大。目前研究的区域最大瓦斯含量为18.11 m3/t，煤层透气性系数0.115 4～0.289 0 m2/(MPa2·d)，测得二1煤的坚固性系数f值为0.09～0.28，瓦斯放散初速度ΔP为15.7～22.

本次走向需要消突的区域为14201工作面回风巷，该巷道长1 008.7 m，倾向消突控制范围上帮向上37.4 m、下帮向下50 m；煤层厚2～26.4 m，平均11.4 m，煤层部分区域含有夹矸1～2层，夹矸厚0.10～2.27 m，夹矸岩性多为泥岩和炭质泥岩，煤层结构整体简单。

2 碎软煤层水力割缝增渗技术

2.1 水力割缝原理

通过超高压水力压裂后，煤体瓦斯含量和压裂孔周边煤体应力降低。此时，通过超高压水力割缝技术，对松软煤体进一步卸压，煤体内部孔裂隙大大增加[9]。创造了瓦斯运移和释放的通道，提升瓦斯抽采效率，进而降低瓦斯含量与压力，达到消突的目的[10]。水力割缝钻孔与普通钻孔增渗消突机制对比图如图1所示。

图1 水力割缝与普通钻孔增渗机制对比图

2.2 水力割缝设计优化

结合赵家寨煤矿目前瓦斯抽采实际情况，在14201工作面回风巷掘进前，采用底板巷施工穿层钻孔结合水力割缝，提高掘进煤巷条带区域瓦斯抽采效率，实现快速降低煤层瓦斯含量，达到消突的目的。为提高割缝效率，底板巷穿层钻孔设计为8 m×8 m模式，即为单组扇形钻孔孔间距设计为8 m，每组设计钻孔16个，组间距也为8 m.钻孔设计剖面图如图2所示。

图2 底板巷穿层钻孔水力割缝剖面图

底板巷穿层钻孔从左到右钻孔编号分别为1～16号孔，钻孔终孔点位置为穿过煤层顶板0.92 m，煤巷条带回风巷上帮控制范围37.4 m，下帮控制范围50 m，终孔间距8 m；钻孔割缝从8号、9号钻孔分别向两侧依次进行割缝。

3 水力化增渗效果分析

3.1 水力割缝半径

水力割缝压力为60 MPa左右，底板巷穿层钻孔水力割缝时冲出大量煤粉，通过割缝卸煤量增加，煤粉颗粒大小为0.01 cm左右，在高压水射流和螺旋钻杆的共同作用下，14201工作面回风巷掘进工作面累计完成水射冲刷32个钻孔，每个钻孔共冲刷次数3～7刀，每次冲刷时间40～80 min，平均单孔冲出煤粉量为7.2 t，平均每刀冲刷排屑量为1.2 t.

M=πr2hKγ

(1)

式中：π为圆周率，取3.14；M为水射流冲刷后排出煤粉量，t；r为水射流冲刷后缝隙的半径，m；h为缝隙的高度，根据地面试验割缝后产生缝隙的高度为0.03～0.05 m；K为割缝后煤的损失率，取0.85～0.95；γ为煤的密度，t/m3.

根据公式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=1.2 t的条件下，割缝后形成缝槽半径r=2.51 m.

3.2 瓦斯抽采纯量分析

根据14201回风巷割缝钻孔抽采纯量统计，平均单孔日抽采纯量绘制如图3所示。

图3 平均单孔纯量变化趋势

根据14201工作面回风巷超高压水力割缝增渗工艺后对钻孔抽采纯量进行统计分析，超高压水力增渗钻孔施工完成后，平均单孔日抽采纯量大幅增加，平均单孔抽采纯量峰值达到568.48 m3/d.抽采39 d后，平均单孔日抽采纯量出现衰减，平均值仍然保持在130 m3/d，是未割缝区域钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m3/min的2.5倍，抽采纯量增加显著。

3.3 残余瓦斯含量测定

14201工作面回风巷在二1煤层中掘进，该区域煤层平均瓦斯含量为8.91 m3/t.超高压水力割缝增渗钻孔抽采28 d后，在底抽巷施工3个穿层钻孔测量残余瓦斯含量结果分别为5.61 m3/t、4.71 m3/t和5.74 m3/t，数据显示使用压割工艺增加煤岩透气性后，煤层瓦斯抽采效率得到显著提升。