閆國鋒，閆振國

(1.陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727306；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

我國煤層在成煤后大都經(jīng)歷了強烈的構(gòu)造運動，煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞，煤層滲透率普遍較低，煤儲層滲透性改善和裂隙改造將是目前和今后提高瓦斯抽采量和抽采率所必須考慮的問題[1-2]。自20世紀70年代以來，多種水力化卸壓增透強化抽采技術(shù)先后在我國諸多礦區(qū)進行了試驗[3]，包括煤層注水、水力壓裂[4-5]、水力割縫、水力沖孔、水力擠出、高壓空氣爆破致裂、微波、注氮及深孔預(yù)裂等[6-8]，并取得了一定的應(yīng)用效果。煤層超聲波增透與二氧化碳驅(qū)替瓦斯技術(shù)一方面利用超聲波增透煤層，改變孔裂隙分布，增大裂隙通道，提高瓦斯?jié)B透能力[9-15]。已有研究主要集中在超聲對煤體結(jié)構(gòu)、煤體滲流特性、煤中氣體流動改性作用的實驗室實驗方面[16-18]，也有學(xué)者通過大功率超聲波裝備在煤礦井下現(xiàn)場進行試驗，基本證實了超聲波對煤體的增透改性作用，但超聲技術(shù)在煤層增透現(xiàn)場應(yīng)用方面的研究仍鮮見報道[19-20]。

基于此，自主研發(fā)大功率礦用超聲增透系統(tǒng)裝備，針對黃陵雙龍煤礦2號煤層，首次開展順層鉆孔大功率超聲增透強化瓦斯抽采現(xiàn)場試驗研究，確定超聲波增透技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，考察其促抽效果，以期解決采-掘-抽平衡問題，提升礦井瓦斯綜合治理水平具有重要意義。

1 工程概況

陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司雙龍煤礦位于雙龍井田，其位于黃陵礦區(qū)的西南部，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，井田內(nèi)僅2號煤層一層可采煤層，煤層可采厚度0.80～4.30 m，平均厚度2.25 m。煤層厚度比較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，部分含夾矸1～3層，夾矸厚度一般0.20～0.35 m，多為泥巖和粉砂巖。煤層埋深120～460 m，底板標高+820～+900 m。2號煤層為高瓦斯煤層，礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為37.05 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為8.72 m3/t，采煤工作面最大瓦斯絕對涌出量為13.55 m3/min，掘進工作面最大瓦斯絕對涌出量為2.79 m3/min。在礦井生產(chǎn)過程中面臨瓦斯抽采效率低、抽采時間長，導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害問題及采掘不平衡。

雙龍煤礦開展超聲波增透工業(yè)試驗選擇在1盤區(qū)112回風(fēng)順槽實施，工作面采用本煤層鉆孔預(yù)抽、高位裂隙抽采和后巷泄壓抽采的方法進行瓦斯綜合治理。實驗區(qū)域選擇在112回風(fēng)順槽南側(cè)，可采煤層為2號煤層，煤系地層為中下侏羅紀延安組，煤層結(jié)構(gòu)簡單，呈單一傾向，煤層傾角2°～5°，煤層厚度3.0～3.2 m，平均厚度3.1 m。本煤層采用密置鉆孔抽放區(qū)域煤層瓦斯，抽放管路為325 mm，孔深為50～120 m，瓦斯抽采時間長，瓦斯抽采效率相對較低。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對原有抽放鉆孔內(nèi)部瓦斯?jié)舛?、流量等信息進行測定，可知最大瓦斯抽放濃度為9.4%，現(xiàn)場試驗前抽樣檢測的鉆孔內(nèi)部溫度在22～30 ℃左右分布。試驗區(qū)域位置如圖1所示。試驗區(qū)域選擇在盤區(qū)邊界的煤柱區(qū)域內(nèi)，不受采動及其他抽采區(qū)域的影響，有利于試驗的開展。開展煤層順層鉆孔大功率、小孔徑、深孔分段超聲波增透工業(yè)性試驗，確定超聲波增透煤層促抽CH4技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，考察超聲波增透效果。

圖1 實驗區(qū)域位置示意

2 超聲增透系統(tǒng)工藝與方案

超聲波發(fā)生器提供的最大功率為18 kW，頻率為25 kHz，如圖2所示。超聲波發(fā)生器，又稱超聲波驅(qū)動電源，其作用是把井下用電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作。超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機械功率(超聲波)。超聲波換能器在輸入(驅(qū)動電源)、輸出(增幅器、超聲波模具)良好匹配的前提下，可以轉(zhuǎn)換(輸出)很大的能量聲能。本項目將棒型超聲換能器送入順層鉆孔內(nèi)，當(dāng)開啟超聲發(fā)生器后，棒型換能器將向周圍煤體發(fā)射超聲波物理場。超聲波穿透煤體時會產(chǎn)生空化效應(yīng)、機械振動效應(yīng)和熱效應(yīng)。在多種效應(yīng)協(xié)同作用下，煤體孔隙孔徑增大，孔隙連通性增強，從而提高煤層滲透性及瓦斯解吸能力，促進瓦斯抽采。

圖2 超聲增透設(shè)備

超聲波增透煤層工業(yè)性試驗步驟分為：原始區(qū)域瓦斯抽采效果考察→施工前鉆孔準備→超聲波發(fā)生器和換能器調(diào)試安裝→超聲波增透作業(yè)→試驗后瓦斯抽采效果觀測(瓦斯抽采濃度、流量)→工業(yè)性試驗研究分析。超聲波增透煤層技術(shù)工藝流程如圖3所示。

圖3 超聲波增透煤層工藝流程

將超聲波發(fā)生器、換能器、變壓器等連接調(diào)試，連接瓦斯抽采及監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示。將3 m的鍍鋅鋼管與換能器端部進行螺紋連接，用多個鋼管首尾相接，從而將換能器放至鉆孔內(nèi)30 m深處，準備超聲波增透作業(yè)。試驗區(qū)域選擇在112回風(fēng)順槽南側(cè)，在盤區(qū)邊界的煤柱區(qū)域內(nèi)，不受采動及其他抽采區(qū)域的影響，有利于試驗的開展。主要對增壓泵出口、壓注孔及考察孔進行監(jiān)測；利用增壓泵的控制系統(tǒng)的壓力、溫度傳感器對增壓泵出口的壓力、溫度進行監(jiān)測，并通過壓力及溫度控制增壓泵；壓注孔通過壓力變送器、紅外測溫儀對孔口壓力及溫度進行監(jiān)測；考察孔主要考察抽采濃度、抽采流量，通過人工檢測(光學(xué)瓦檢儀、煤氣表)，在線監(jiān)測設(shè)備對抽采濃度、抽采流量進行監(jiān)測，在線監(jiān)測裝備安裝在距離壓注最近的2個考察孔，并與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。

圖4 抽采鉆孔連接示意

3 超聲波增透煤層現(xiàn)場試驗效果

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分別考察鉆孔瓦斯抽采濃度、流量和純量的變化，詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1～3。超聲增透Ⅰ、Ⅱ區(qū)分別設(shè)置有6個考察孔，本文僅針對正常抽采情況下的考察孔進行了數(shù)據(jù)分析，以客觀考察超聲增透效果。

3.1 抽采濃度對比

根據(jù)記錄的抽采濃度數(shù)據(jù)，抽采濃度數(shù)據(jù)分析見表1，原始區(qū)域抽采濃度在5%～10%；在增透抽采的40 d內(nèi)，超聲波增透區(qū)考察孔的平均抽采濃度在11.62%～21.34%；相比原始抽采鉆孔濃度，超聲I區(qū)平均抽采濃度為15.48%，抽采濃度提升了1.04倍；超聲II區(qū)平均抽采濃度為14.75%，抽采濃度提升了97%?？傮w上，經(jīng)過超聲增透作用，平均鉆孔瓦斯抽采濃度提高了1.01倍。

表1 抽采濃度數(shù)據(jù)分析

3.2 抽采流量對比

抽采流量數(shù)據(jù)分析見表2。由表2可知，原始區(qū)抽采流量為0.041 m3/min，增透Ⅰ區(qū)抽采流量處于0.049 2～0.093 9 m3/min，流量增大了0.20～1.02倍。增透Ⅱ區(qū)的抽采流量處于0.075 7～0.084 3 m3/min，提升了0.85～1.06倍。相對于原始抽采區(qū)，2個增透區(qū)的鉆孔瓦斯平均抽采流量分別增大了71%和98%?？梢酝茢啵撼曌饔孟旅后w孔裂隙結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致煤體滲透性增大，煤層瓦斯流動速度加快，鉆孔內(nèi)瓦斯抽采流量顯著提升，表現(xiàn)出良好的增透效果。

表2 超聲增透抽采流量對比

3.3 抽采純量對比分析

鉆孔周邊有較為發(fā)育的裂隙網(wǎng)絡(luò)，抽采負壓影響下，巷道內(nèi)空氣進入鉆孔，降低了抽采濃度。根據(jù)每個鉆孔每天的抽采濃度與抽采流量數(shù)據(jù)，二者的乘積即為當(dāng)天鉆孔抽采純量值，取平均值得到該鉆孔的平均抽采純量，見表3。原始區(qū)平均抽采純量為0.003 1 m3/min，增透I區(qū)抽采純量最大提升了5.75倍，增透II區(qū)抽采純量最大提升了4.89倍。2個增透區(qū)的平均抽采純量提高了2.85倍。結(jié)果表明，超聲增透顯著提升了瓦斯抽采純量，表現(xiàn)出了良好的增透效果。

表3 鉆孔瓦斯抽采純量對比

3.4 累計抽采純量分析

根據(jù)抽采純量數(shù)據(jù)，計算各鉆孔累計抽采純量，40 d內(nèi)對比區(qū)、超聲試驗區(qū)內(nèi)單孔累計抽采純量數(shù)據(jù)分析見表4。抽采40 d內(nèi)，原始區(qū)平均單孔累計抽采純量為150.192 m3，增透I區(qū)單孔抽采純量最大提升了7.22倍，增透Ⅱ區(qū)單孔抽采純量最大提升了4.84倍。抽采40 d內(nèi)，2個增透區(qū)的平均單孔累計抽采純量為725.904 m3，相比原始區(qū)平均累計單孔抽采純量提高了3.83倍。結(jié)果表明，同一抽采時間內(nèi)，超聲增透區(qū)內(nèi)單孔累計瓦斯抽采純量明顯增大，超聲波增透將有利于縮短抽采達標時間。

表4 鉆孔瓦斯累計抽采純量對比

4 經(jīng)濟與社會效益分析

超聲增透技術(shù)經(jīng)濟效益分析，按1 000 m長度工作面計算，采用原抽采方案時抽采鉆孔包括本煤層抽采鉆孔和高位裂隙抽采鉆孔。本煤層抽采鉆孔在兩順槽布置，鉆場間距80 m，共24個鉆場，每個鉆場8個鉆孔，平均鉆孔長度120 m，本煤層鉆孔施工的綜合成本約60元/m；高位裂隙抽采鉆孔在單側(cè)順槽布置，鉆場間距250 m，共4個鉆場，每個鉆場7個鉆孔，平均鉆孔長度390 m，高位裂隙抽采鉆孔施工的綜合成本約80元/m。超聲增透技術(shù)鉆孔布置間距15 m，共66個鉆孔，鉆孔長度100 m。其中超聲增透鉆孔共13個，綜合成本約140元/m；試驗抽采鉆孔53個，綜合成本約90元/m。同時考慮超聲增透技術(shù)的設(shè)備費用等，每1 000 m工作面節(jié)省抽采費用103.7萬元，成本降低了約46%。超聲增透的瓦斯抽采純量約為原始抽采純量的4～5倍，大幅縮減了瓦斯抽采時間，提升了瓦斯抽采效率，有利于礦井安全、高效開采。重點解決了瓦斯預(yù)抽問題，有效提升了瓦斯抽采效率，縮短了煤層瓦斯抽采達標時間，將有力推動黃陵雙龍煤礦安全開采和瓦斯治理水平，提高礦井生產(chǎn)效率，同時對實現(xiàn)礦井綠色開采、礦井資源可持續(xù)發(fā)展、維護礦區(qū)社會穩(wěn)定具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)雙龍煤礦2號煤層抽采鉆孔施工條件，優(yōu)選大功率超聲換能器，探究小孔徑、深孔分段增透煤層方法，在鉆孔直徑為133 mm條件下，實現(xiàn)大功率(18 kW)超聲波深孔增透煤層促抽瓦斯技術(shù)的成功應(yīng)用。

(2)超聲波增透煤層現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，超聲波增透影響半徑約為10 m，平均單孔抽采純量提高了2.8倍，超聲增透對于瓦斯抽采純量有顯著提升，表現(xiàn)出良好的增透效果。

(3)超聲增透技術(shù)的應(yīng)用，每1 000 m工作面抽采綜合成本節(jié)省費用103.7萬元。采用超聲波增透、液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯及聯(lián)合新工藝，有效提升了瓦斯抽采效率，縮短了煤層瓦斯抽采達標時間，提高了礦井生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。