底板裂隙发育低透气性煤层瓦斯治理技术研究

饶 高

(湖南煤业股份有限公司,湖南 长沙 410118)

坦家冲煤矿目前产能约11万t/a,自1966年建矿以来共发生煤与瓦斯突出498次,最大突出煤量4 500 t,是典型的煤与瓦斯突出矿井。矿井目前主采的6煤层平均厚5.49 m,瓦斯含量18.38 m3/t,透气性系数为0.002 242～0.037 755 m2/(MPa·d),钻孔瓦斯流量衰减系数为0.472 7～0.936 1 d-1,属于较难抽采煤层。

本次瓦斯抽采工程在坦家冲煤矿2463区域实施,该区域内6煤层底板裂隙普遍发育。往期施工的抽排钻孔即便设置30 m的封孔长度,抽采压力损失几乎是100%,抽排管内的瓦斯压力始终接近于0。抽采钻孔的开孔点位于6煤层底板,底板巷道开挖形成的松动圈实测深度达到了2.4 m,抽采钻孔开孔点的“漏风”现象更为严重。

瓦斯抽采是解决瓦斯问题的根本措施,其中的关键在于提高封孔段的气密性、确保抽采钻孔煤层段内的负压、增加煤层透气性系数[1-5]。抽采管道接口的负压并不能等同于抽采钻孔煤层段内负压,封孔段的气密性越差,抽采管口到预抽煤层段的压力损失越大,抽采效果也就越不能得到保证[6-7]。抽采管道接口的负压值可由抽采设备保证,封孔段的气密性需要良好的注浆效果加以保证。现有的研究成果认为,当试验矿井煤层瓦斯含量大于 9 m3/t 时宜采用水力造穴诱突技术,反之宜采用爆破诱突技术[8]。水力冲孔过程主要通过宏观裂隙和微观孔隙2个层面实现对煤体的卸压增透作用[9]。

现有的理论研究成果、技术应用案例较多,但是岩层段钻孔气密性低、预抽采煤层透气性差2项不利的地质条件同时存在的瓦斯抽采案例尚未出现。本文以坦家冲煤矿2463区域瓦斯抽采工程为背景,首先分析钻孔气密性的保证方法,并从力学角度分析水力冲孔的根本机理,提出并实施底板裂隙发育低透气性突出软煤层瓦斯治理方案。

1 低透气性突出软煤层瓦斯治理

1.1 煤层瓦斯增透技术方案选择及机理分析

开采解放层通过强行扰动大面积改变煤层内瓦斯的附着状态,对煤层透气性的提升效果最好[10-11],但是坦家冲煤矿6煤层是矿井底层的可采煤层,上方也无可采煤层,因此该方法不适用。向煤层注入高压水或蒸汽,能够综合通过压裂扰动和温度改变共同影响瓦斯的吸附状态,从而达到增加透气性的效果[12-13],但是坦家冲煤矿没有相关的设备和技术储备,该方法目前也不具备实施条件。

鉴于坦家冲煤矿6煤层瓦斯含量高及透气性差,又不具备解放层的开采条件,水力压裂也不具备实施条件,设计采用水力造穴增透技术增加煤层透气性。高压水射流在对煤体的切割和搬移会在煤体形成一系列具有一定宽度和长度的穴洞空间[14]。随着穴洞空间的形成,周边煤岩体原有的应力平衡状态一定会被打破,并形成破碎区域、微裂隙区域和塑性区域,原本处于吸附态的瓦斯也会在多重扰动作用的影响下产生流动性,其中的力学原理简要分析如下。

处于静水应力场中的圆孔周边的塑性应力、弹性应力可以基于摩尔—库仑准则得到准确的解析解,再根据修正的芬涅尔公式可以得到塑性区域的半径[15-16]。静水应力场中圆孔周边塑性区如图1所示。

图1 静水应力场中圆孔周边塑性区Fig.1 Plastic zone around a circular hole in a hydrostatic stress field

在塑性区内可得以下方程式,其中静力平衡条件如式(1):

(1)

式中,σrp为径向应力;σtp为切向应力;r为钻孔周围不同深度的煤体位置。

Mohr-Coulomb屈服条件如式(2):

(2)

式中,c为岩体的黏聚力;φ为岩体的内摩擦角。

边界条件r=a时,则σrp=pi,解上述方程可得到式(3)、式(4):

(3)

(4)

式中,pi为支护阻力;a为巷道半径。

假定巷道所在的原始岩石应力场为静水应力场,侧压力系数=1。因此,在塑性区、弹性区边界符合应力分布规律σrp+σtp=2p0,可得到式(5):

(5)

式中,p为静水压力;a为圆孔半径;R为塑性区半径。

假设破碎带岩体中的应力小于原始岩石中的应力,即σrp

(6)

式中,R0为塑性区边缘半径。

也有学者将煤岩体的蠕变性能加以考虑,将塑性范围又细分为塑性软化区及塑性硬化区,但是都认为塑性区范围与圆孔呈正比。水力造穴的根本作用在于扩大钻孔整体及局部的半径,从而诱发煤岩体塑性范围的进一步扩大,使大范围内煤岩体的应力状态不断变化,从而对吸附态瓦斯造成扰动,达到解吸的效果。

1.2 煤层底板裂隙封堵技术方案选择及机理分析

坦家冲煤矿6煤层底板裂隙极其发育,底板岩层钻孔的抽采压力损失已经不能用透气性系数作为指标来考核。利用窥视镜对先前施工的钻孔进行窥视结果如图2所示,无序交差的裂隙遍布钻孔孔壁,而且贯穿整个底板岩层钻孔段。钻孔施工过程中,施工用水的孔口反出量明显小于进水量,孔口周边岩层在施工过程中不间断地有水流出现。往期的钻进过程中曾试图通过加大封孔长度削弱钻孔漏风引起的抽采压力损失,但即使将钻孔的全部岩层区段全部封闭,封孔长度达到30 m,抽采压力损失仍然接近100%。

图2 坦家冲煤矿6煤底板岩层钻孔内窥Fig.2 Borehole endoscopic view of coal seam 6 floor layer in Tanjiachong Coal Mine

根据上述分析,坦家冲煤矿6煤底板岩层的裂隙必须加以充填,并辅之以更加有效的封孔措施才能真正控制岩层段钻孔的抽采压力损失。因此,采取预注浆充填围岩裂隙,并辅之以 “两堵一注”技术加大封孔长度、带压封孔注浆的综合措施,提高6煤底板岩层钻孔抽采钻孔气密性。

2 低突软煤层瓦斯治理工业试验方案

针对坦家冲煤矿北翼6煤层难抽采和其底板岩石裂隙发育的特点,2463区域瓦斯治理方案重点围绕保证底板岩层段钻孔气密性、增加6煤层透气性2个目标制定。

2.1 底板岩层预注浆封堵裂隙

首先,完全按照抽采钻孔既定的方位角倾角布置预注浆钻孔,通过预注浆封堵抽采钻孔周边围岩的裂隙,坦家冲煤矿6煤底板封堵围岩裂隙预注浆钻孔设计平面如图3所示。

图3 坦家冲煤矿6煤底板封堵围岩裂隙预注浆钻孔设计平面Fig.3 Design plan of pre grouting borehole for sealing surrounding rock cracks in No.6 coal seam floor of Tanjiachong Coal Mine

(1)按照预施工抽采钻孔的方位角、倾角、开孔点位布置孔径94 mm的预注浆钻孔,终孔点与煤层底板法距3 m,而后对此区段进行封孔注浆。注浆液为普通P.O42.5水泥制备的泥浆,水灰比0.8∶1,注浆压力设定为2 MPa,倘若孔口区域出现大面积跑浆现象则停止注浆。

(2)仍然按照抽采钻孔的方位角、倾角施工预注浆钻孔,开孔点位与首次预注浆钻孔间距500 mm,钻孔直径、注浆材料仍与首次相同,终孔点见煤,注浆压力设定为4 MPa,稳压时间不小于5 min。

坦家冲煤矿6煤底板封堵围岩裂隙预注浆钻孔布置剖面及封堵效果如图4所示。

图4 坦家冲煤矿6煤底板封堵围岩裂隙预注浆钻孔布置剖面及效果Fig.4 Layout profile and effect diagram of pre grouting borehole for sealing the surrounding rock of No.6 coal seam floor in Tanjiachong Coal Mine

2.2 水力造穴增加煤层透气性

2次底板注浆封堵裂隙工作完成后,在2个预注浆钻孔中点位置开孔,以既定的方位角、倾角施工抽采钻孔。钻孔直径94 mm,自底板完全穿越6煤层后进行高压水力割煤造穴,在煤体中形成空穴。

坦家冲煤矿6煤层非常松散,相关的岩性参数,如黏聚力、内摩擦角、抗压强度、抗拉强度很难准确测试。6煤层中已有拱形巷道净宽3 300 mm、净高2 800 mm,煤帮松动圈的测试深度为2 800 mm。根据等效开挖理论[17-22],拱形煤巷的等效开挖半径为1 886 mm,塑性区域半径为4 686 mm。将相关数据代入式(1),可知塑性区域半径与等效开挖圆孔半径之间的对应关系为:

(7)

因此,坦家冲煤矿6煤中直径94 mm和300 mm的钻孔对应的塑性区域直径分别为243 mm和745 mm。水力造穴使得钻孔的平均直径增加,也就意味着塑性区域范围的增加,而塑性区域扩大有利于瓦斯的解吸及抽采。

水力造穴的技术要求如下:①水力造穴高压泵额定压力为45 MPa,造穴时所用水压不超过25 MPa,以保证施工安全。②水力造穴的目标是将钻孔的平均直径由94 mm增加至300 mm,据此可以推算造穴钻孔的最低出煤量。鉴于坦家冲煤矿6煤的密度为1.35 m3/t,倘若煤层段钻孔的总长为20 m,则该钻孔出煤量的最低值为1.75 t。③水力造穴过程要围绕整个钻孔进行,造穴过程中钻杆必须缓慢推进或拉出,造穴空腔必须沿整个钻孔长度均匀分布。

2.3 大长度范围内“两堵一注”封孔

水力造穴完成后,采用FKJW-50/0.5型矿用封孔器、JD-WFK-2型速凝膨胀封孔剂和ZBQ28/0.5型煤矿用气动注浆泵等配套产品和设备,通过“两堵一注”封堵钻孔孔壁周围裂隙,保证钻孔的密封效果。

“两堵一注”封孔工艺原理:通过在抽采钻孔内套管两端布置囊袋并注入封孔材料,使囊袋膨胀与孔壁严密接触并对孔壁形成压力,当注浆压力达到一定值后,注浆管上爆破阀爆裂,浆液流入2个囊袋间封孔段空间,逐渐充填实,继续注浆,在压力作用下,浆液沿钻孔孔壁裂隙向周围渗入,使得孔壁周围裂隙得到有效充填,进而达到带压封孔目的。现场执行方法如下:对于岩层段小于30 m的钻孔,前端囊袋下到煤层底板;对于岩层段大于30 m的钻孔,在30 m范围内用囊袋进行封孔;抽采钻孔全程下套管,囊袋前端筛管必须深入孔底[23-30]。

3 工业试验效果

坦家冲煤矿2463区域煤层瓦斯抽采工程自2021年3月下旬实施以来,以“预注浆、钻到位、强增透、孔畅通、管到底、孔封严、水放空、不漏气、平直顺”的技术路线为指导组织施工。截至2021年12月底,已施工16组抽采钻孔,穿层抽采钻孔控制2463区段条带走向长度64 m。

工作大体分为3个阶段,第1阶段为3月下旬—4月,第2阶段为5—7月,第3阶段为8月至今。第1阶段因种种原因没有采取预注浆工艺,施工的钻孔普遍存在抽采1 d后浓度迅速衰减现象。第2阶段采取预注浆工艺,先将多组预注浆孔集中施工完毕,再集中进行注浆的方法堵塞围岩裂隙,但因漏浆卸压点多,预注浆孔达不到设计压力,该阶段施工的抽采钻孔的抽采浓度维持10 d左右后急剧下降。

第3阶段对预注浆工艺进行改进:①优化预注浆钻孔设计,达到注浆后形成的帷幕能覆盖所有抽采钻孔的要求;②预注浆施工工艺,按“打一组、注一组”的原则及时对预注浆钻孔进行注浆,对没达到设计压力的孔,24 h后,在其附近重新施工注浆孔进行二次、甚至更多次数注浆,直至预注浆孔升上压为止。

第3阶段施工钻孔19个,底板岩层段与煤层段的总深度,即累计孔深最大值为73 m,最小值为23 m。对于岩层段长度达到30 m的钻孔,采用囊袋封孔的长度全部设定为30 m;对于岩层段长度小于30 m的钻孔,囊袋封孔长度为整个岩层段,例如累计孔深23 m的717号钻孔的囊袋封孔长度为全部岩层段长度,即15 m。

第3阶段钻孔自2022年9月6—12日连管抽采后,一直保持着相对较高的浓度。由表1可知,除了4个受钻孔水的影响无法正常抽采的钻孔外,其余钻孔的初始抽采浓度较高,且衰减很低,很多钻孔的抽采浓度甚至一直保持升高状态。以9月24日作为抽采浓度分析的起点,去除4个钻孔水直接影响的钻孔外,另外15个钻孔在抽采过程中平均抽采浓度均较高,如图5所示。

表1 第3阶段抽采钻孔瓦斯抽采浓度检测表Tab.1 Gas extraction concentration detection table for the third stage of drilling hole extraction

图5 第3阶段钻孔抽采浓度变化曲线Fig.5 Change curve of drilling extraction concentration in the third stage

由图5可知,钻孔的浓度始终较高,虽有一定波动,但是抽采115 d后仍然能够保持35.6%的抽采浓度。抽采系数波动的原因在于水力造穴形成的造穴空间不断发展变化,瓦斯的解吸范围也随之变化,而且造穴空间内松散煤体会对瓦斯抽采通道造成一定影响。倘若用二阶多项式来预测瓦斯抽采浓度的变化趋势,可以得到一条缓步上升的直线,三阶多项式的预测结果为缓慢波动的曲线,而且预测的抽采浓度降低时段超过200 d。

4 结语

坦家冲煤矿2463区域瓦斯抽采工程分3个阶段进行:首期的抽采钻孔无预注浆封堵底板围岩裂隙的措施,抽采效果可以用“没有”二字来概括;第2阶段虽然采用了预注浆封堵裂隙措施,但是抽采封孔抽采顺序适当,效果依然欠佳;第3阶段的抽采综合运用了“预注浆封堵+水力造穴+大长度、大压力注浆封孔+顺序抽采”的综合措施,明显保证了抽采效果。

坦家冲煤矿2463区域瓦斯抽采工程第3阶段的成功原因有:①通过3次注浆实现了底板裂隙的有效封堵。3次注浆包括距煤层底板法距3 m钻孔的首次低压注浆、穿越煤层底板钻孔的二次中压注浆、囊袋封孔过程中的高压注浆。由于底板岩层裂隙极其发育,而作为注浆材料的水泥固化过程中必然伴随体积收缩及微裂隙发育的过程,一蹴而就的注浆方式无法有效封堵高度发育的底板围岩裂隙,相辅相成的3次注浆才能达到预期的封堵效果。②水力造穴围绕煤层段钻孔全部长度开展,而不是在有限的点位集中形成造穴空腔。经过煤层段钻孔全部长度的水力造穴,钻孔平均直径由94 mm增加至300 mm,相对应的塑性区域直径也由243 mm增加至745 mm。塑性区域的扩大可以诱发更大范围内瓦斯的解吸,保证了瓦斯抽采的效果。