羅本雪
(山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司, 山西 晉中 032600)
煤與瓦斯突出是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,因此,在煤礦開采過程中必須進(jìn)行瓦斯抽采。我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣,煤層滲透性普遍較差,提高瓦斯抽采效果必須提高煤層的透氣性。為了提高煤層透氣性,很多學(xué)者開展了研究。其中一些學(xué)者提出了保護(hù)層開采、分層開采方法,通過保護(hù)層卸壓提高區(qū)域煤層的透氣性[1-3];一些學(xué)者通過物理方法提高煤層的局部透氣性,比如水力壓裂、松動爆破、水力造穴等,通過煤層卸壓、造縫提高煤層透氣性[4-6];還有一些學(xué)者通過化學(xué)的方法提高煤層的局部透氣性,比如緩醋酸、活化過硫酸銨等,通過化學(xué)試劑與煤層中的有機(jī)物、礦物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)、溶解,提高煤層的透氣性[7,8]. 無論是物理增透方法,還是化學(xué)增透方法,在提高煤層透氣性方面都取得了較好的增透效果。但是,同一個增透方法在不同礦區(qū)、甚至是同一礦區(qū)的不同礦井,其增透效果也有較大差異,這主要是由于不同礦井的煤層特征、構(gòu)造特征、成煤條件不同,在進(jìn)行增透方法選擇時(shí),必須結(jié)合礦井實(shí)際條件。為了探究高壓水射流割縫技術(shù)在余吾礦的適用性,在工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),對其增透效果進(jìn)行評價(jià),以提高煤層透氣性,實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采。
研究區(qū)位于華北斷塊區(qū)呂梁—太行斷塊沁水塊坳東部次級構(gòu)造單元的沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶中段,并疊加了新生代長治新裂陷。構(gòu)造比較復(fù)雜,地層傾角為3°~8°,個別地段較陡。區(qū)內(nèi)陷落柱、斷層較發(fā)育。
N1103屬于高瓦斯區(qū)域,N1103膠帶順槽設(shè)計(jì)長度為1 765 m,巷道為矩形斷面,寬5.4 m,高3.8 m,已經(jīng)掘進(jìn)1 168 m. 該順槽沿3#煤層頂板掘進(jìn)。其北側(cè)為實(shí)體煤,西側(cè)為N1103工作面,東側(cè)為N1105膠帶順槽,南接北風(fēng)井西翼1#回風(fēng)大巷。該工作面回采的3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組中下部,厚度大,煤層厚度平均5.99 m,以貧煤為主,煤層結(jié)構(gòu)簡單,含夾石1~2層,層位穩(wěn)定,傾角為+3°~-2°,平均傾角為1°.
高壓水射流割縫技術(shù)是利用高壓水的沖擊作用,當(dāng)其作用在煤體時(shí),在煤體表面形成拉應(yīng)力、剪應(yīng)力作用區(qū),當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到煤層自身強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)致煤體發(fā)生破壞,產(chǎn)生裂縫。隨著水沖擊的繼續(xù)作用,裂縫發(fā)生貫通、破壞,煤粉顆粒被沖出,形成大的孔洞。在孔洞表面再次形成拉應(yīng)力、剪應(yīng)力作用區(qū),不斷重復(fù)上述過程,導(dǎo)致高壓水射流割縫區(qū)域煤粉被大量沖出,形成卸壓區(qū),煤層的滲透性被提高,為瓦斯運(yùn)移提供通道。
試驗(yàn)地點(diǎn)選擇N1103運(yùn)輸順槽,共設(shè)計(jì)了Y1#、Y2#、Y3#三個試驗(yàn)孔。為了對施工效果進(jìn)行對比,設(shè)計(jì)了D1#、D2#、D3#三個不進(jìn)行高壓水射流割縫的對照孔。
根據(jù)煤層硬度、鉆孔設(shè)計(jì)等現(xiàn)場實(shí)際,優(yōu)選流量為125 L/min的高壓清水泵,GFJG-20-6型高壓軟管在接頭處配備有扣殼防護(hù)套以及防脫鏈作為二次和三次保護(hù),保證了高壓水流在傳輸過程中的安全性。高壓水射流割縫鉆桿選擇d73 mm的GFZG-d113×1000-3型水射流割縫淺螺旋整體鉆桿,保證了良好的密封和排渣效果。選擇GFQ73-125/100型高低壓轉(zhuǎn)換割縫器和d113 mm的GFZT-Φ113型金剛石復(fù)合片鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)和割縫作業(yè)。
試驗(yàn)區(qū)域鉆孔設(shè)計(jì)深度為110 m,開孔高度為1.4 m,傾角為2°,方位角為270°. 鉆孔空間距離設(shè)計(jì)為10 m,鉆孔內(nèi)水力割縫范圍為距離孔口30 m至鉆孔孔底,每個施工鉆孔設(shè)計(jì)5 m割一刀,割縫時(shí)間為10 min. 在施工過程中通過觀測孔口返水及排渣情況,割縫排渣單刀0.3 t以上且煤渣量能順利排出孔口,壓力80~90 MPa為最優(yōu)割縫壓力。在該壓力下,割縫過程中煤體被切割為均勻的小顆粒,粒度為0.2~1.0 cm,在水和螺旋鉆桿的共同作用下,排水排渣較順暢,割縫過程中未出現(xiàn)憋孔和堵孔現(xiàn)象。割縫過程中巷道內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛葹?.06%,無瓦斯涌出異常現(xiàn)象。其中3個鉆孔的出煤量分別為5.02 t、5.21 t、5.32 t.
為了對水力割縫效果進(jìn)行分析,優(yōu)選了瓦斯抽采濃度、抽采半徑作為評價(jià)指標(biāo),對施工鉆孔、對照孔的抽采效果進(jìn)行對比。
為了對施工效果進(jìn)行評價(jià),對抽采過程瓦斯?jié)舛茸兓M(jìn)行了測試、記錄,繪制了90天瓦斯抽采濃度變化曲線。其中,施工鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€見圖1,對照孔瓦斯抽采濃度變化曲線見圖2.
圖1 施工鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖
圖2 對照孔瓦斯抽采濃度變化圖
從抽采濃度測試結(jié)果可以看出:對于施工鉆孔,瓦斯抽采濃度主要集中在80%~90%,平均85%;對于對照孔,瓦斯抽采濃度主要集中在60%~80%,平均瓦斯抽采濃度70%. 通過高壓水射流割縫,提高了煤層的透氣性,使瓦斯抽采濃度提高了20%左右。
為了對比施工孔和對照孔抽采半徑的差異,對鉆孔抽采量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),繪制了鉆孔平均日瓦斯抽采量變化曲線圖,見圖3,圖4.
圖3 施工鉆孔單孔日均抽采瓦斯量曲線圖
圖4 對照孔平均單孔日抽采瓦斯量曲線圖
根據(jù)鉆孔單孔日抽采量測試結(jié)果,擬合了鉆孔日瓦斯抽采量變化曲線,根據(jù)控制區(qū)域瓦斯抽采總量、單孔日抽瓦斯量,計(jì)算出不同抽采時(shí)間鉆孔的有效抽采半徑,其中計(jì)算結(jié)果見表1.
表1可以看出,在相同抽采時(shí)間條件下,施工鉆孔有效抽采半徑是對比孔的3~4倍,提高了瓦斯抽采效率,縮短了瓦斯抽采時(shí)間,有助于提高煤礦采掘效率。
表1 施工鉆孔與對照孔抽采有效半徑對比表
通過對高壓水射流割縫技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)、效果分析,得出如下結(jié)論:
1) 通過高壓水射流割縫措施,提高了瓦斯抽采濃度、有效抽采半徑,驗(yàn)證了高壓水射流割縫技術(shù)在余吾礦的適用性。
2) 余吾礦采用高壓水射流割縫技術(shù)對有效抽采半徑的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對抽采濃度的影響,對于采掘銜接緊張的礦井,建議采用高壓水射流割縫技術(shù)。
3) 影響高壓水射流割縫效果的施工因素有很多,今后將進(jìn)一步加強(qiáng)施工參數(shù)優(yōu)化的研究。