孟亞帥
(山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦,山西 古交 030200)
瓦斯抽采效率低一直是困擾煤礦生產(chǎn)的一大難題。提高瓦斯抽采效率的關(guān)鍵在于改變瓦斯賦存壓力場(chǎng),促進(jìn)瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)為游離態(tài)并自由逸出。水力割縫可以對(duì)煤層進(jìn)行卸壓處理,有效改善瓦斯逸出路徑[1],延展煤層裂隙,提高煤體滲透率。對(duì)掘進(jìn)面或回采面的瓦斯預(yù)抽孔進(jìn)行水力割縫處理均可有效抽采瓦斯,并在掘進(jìn)和回采過(guò)程中有效降低煤塵,改善作業(yè)環(huán)境。
現(xiàn)有水力割縫設(shè)備限于注水壓力不足而難以發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),亟需發(fā)展高壓水力割縫技術(shù)[2]。因此本文利用自主研制的高壓水力割縫系統(tǒng),大幅提高注水壓力,對(duì)鎮(zhèn)城底礦煤層32211 掘進(jìn)工作面進(jìn)行割縫處理,收集相關(guān)數(shù)據(jù),全面分析高壓水力割縫技術(shù)抽采瓦斯的具體效果。
鎮(zhèn)城底礦屬于瓦斯礦井,隨著開采水平延伸,高瓦斯區(qū)域不斷增多,亟需更為有效的瓦斯抽采技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選在西山煤電鎮(zhèn)城底礦的32211 工作面,該工作面西鄰ⅪⅤ勘探線,東臨Ⅻ勘探線,位于F16 斷層南西,32229 采空區(qū)北東。該工作面標(biāo)高1953~1991 m,地面標(biāo)高2378~2171 m,走向長(zhǎng)1108~1082 m,面積222 178 m2。試驗(yàn)地點(diǎn)在32211運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭,推進(jìn)距離560 m,巷道斷面面積為21.6 m2,風(fēng)速為0.6 m/s。
為克服以往同類設(shè)備割縫壓力、流量不足的弊端,本系統(tǒng)采用兩臺(tái)天津通潔高壓泵制造有限公司生產(chǎn)的BZW40/30 型煤層注水泵并聯(lián)使用。該泵額定工作壓力為30 MPa,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,單位重量水功率高,適用于井下復(fù)雜工作環(huán)境。為進(jìn)一步提高注水壓力,模仿液壓增壓缸結(jié)構(gòu)加工水壓增壓缸接入水泵出口。普通水管不足以承受超高壓水,因而采用鍋爐用鋼加工為Φ20 mm 的無(wú)縫鋼管螺紋連接,并在水管出口接入特制的錐直型高壓水射流噴嘴,出水口最高出水壓力可達(dá)75 MPa。
根據(jù)高壓水力割縫技術(shù)原理以及工作面的應(yīng)用條件,本項(xiàng)目擬采用的高壓水力割縫系統(tǒng)由如圖1所示部分組成。
圖1 高壓水力割縫系統(tǒng)
工作面鉆孔布置如圖2 所示,共布置3 個(gè)割縫孔,間距2 m,割縫孔四周1 m處布置觀測(cè)孔,共4個(gè)。位于工作面中心的割縫孔豎向割縫作業(yè),兩側(cè)割縫孔水平割縫作業(yè)。割縫孔中利用高壓水射流設(shè)備由里向外后退作業(yè),切割煤體。完成作業(yè)后,在兩側(cè)觀測(cè)孔布置測(cè)量設(shè)備,觀察割縫作用效果。
圖2 工作面鉆孔布置圖
為了確定合理的工藝參數(shù),評(píng)價(jià)瓦斯抽放效果,結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果,制定了如下高壓水力割縫抽采瓦斯的施工方案。
割縫孔直徑Φ80 mm,深度100 m,施工完成后,放入直徑為Φ20 mm 的無(wú)縫鋼管作為割縫管;割縫孔末端擴(kuò)孔封孔,擴(kuò)孔直徑為Φ120 mm,深度為20 m。施工完成后,將封孔管前端包裹聚氨酯材料后放入割縫孔,并將封孔管與煤層之間的空隙用后退注漿法封孔,如圖3 所示。
圖3 導(dǎo)向孔壁后注漿封孔示意圖
在割縫孔兩側(cè)水平間距1 m 處各布置一個(gè)觀測(cè)孔。觀測(cè)孔直徑Φ40 mm,深度為20 m,施工完成后,放入直徑為Φ16 mm 的鋁塑管,長(zhǎng)度為10 m。鋁塑管前端2 m 處用聚氨酯材料緊密包裹,鋁塑管與煤層之間同樣用后退注漿封孔。封孔材料凝固后,在鋁塑管末端安裝測(cè)試閥門及壓力表,如圖4 所示。
圖4 瓦斯壓力測(cè)試孔封孔示意圖
該工作面煤層瓦斯壓力為0.61 MPa,煤的堅(jiān)固性系數(shù)為f=1.6,煤層透氣性系數(shù)為6.7 m2MPa-2d-1。實(shí)驗(yàn)室采用相似材料模擬煤層進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水壓70 MPa、作用半徑900 mm 時(shí),橫向割縫速率不大于18 m/h。割縫過(guò)程中,由于瓦斯在煤層內(nèi)賦存的非均勻性,工作面瓦斯含量變化也呈非均勻性,割縫速度直接決定瓦斯逸出速度。因此初始割縫速率為18 m/h,當(dāng)巷道瓦斯?jié)舛却笥?.8%時(shí),為避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故,必須依照安全操作規(guī)程,依據(jù)工作面瓦斯含量適時(shí)調(diào)節(jié)鉆機(jī)割縫速度。
完成高壓水力割縫作業(yè)后,即開始對(duì)割縫孔兩側(cè)觀測(cè)孔進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)量。據(jù)觀測(cè),煤層中原始瓦斯壓力為0.12~0.48 MPa。測(cè)量結(jié)果如表1 所示。
由表1 可知,完成高壓水力割縫作業(yè)后,觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯壓力隨時(shí)間逐步增大至割縫前壓力的三倍左右,并逐漸穩(wěn)定。由此表明經(jīng)過(guò)高壓水力割縫作業(yè)后,煤層中的瓦斯釋放速率明顯增加。
高壓水力割縫作業(yè)完成后,將工作面布置的所有抽放管路的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,如表2 所示。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,計(jì)算鉆孔抽放率[3]:
η=Q/(H×R×L×ρ×X)×100
式中:Q 為累計(jì)抽出的純瓦斯量,m3;H 為巷道高度,取3 m;R 為割縫長(zhǎng)度,取1.8 m;L 為鉆孔深度,取80 m;X 為噸煤瓦斯含量,取7.19 m3/t;ρ 為煤的容重,取1.42 t/m3。
表1 觀測(cè)孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化關(guān)系
表2 瓦斯抽放量隨時(shí)間的變化統(tǒng)計(jì)表
由表2 可以看到,高壓水力割縫作業(yè)24 h 后,工作面混合氣體抽放量明顯上升,純瓦斯含量同比例上升;十余天后,混合氣體總量增至初始狀態(tài)的三倍以上,百米鉆孔抽放純瓦斯速度最高可達(dá)4.29 m3/h。由此可見,高壓水力割縫作業(yè)后,工作面煤體內(nèi)部產(chǎn)生持續(xù)性變化,煤體結(jié)構(gòu)破碎性明顯增加,瓦斯逸出速率持續(xù)加快,充分說(shuō)明高壓水力割縫抽采瓦斯具有持久性明顯效果。
對(duì)高壓水力割縫技術(shù)抽采瓦斯的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn),取得了預(yù)期效果,得到了如下結(jié)論:高壓水力割縫技術(shù)可以有效增加工作面煤層瓦斯釋放速率,當(dāng)水壓達(dá)到70 MPa 時(shí),有效作用半徑可達(dá)900 mm;累計(jì)抽放一個(gè)月,抽放率可到26.49%。