水力造穴增透技術(shù)在余吾煤業(yè)的應(yīng)用

李 云

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西省長(zhǎng)治市，046103)

我國(guó)多數(shù)煤層具有非均質(zhì)、高瓦斯、低滲透率和低含氣飽和度等特點(diǎn)[1]。針對(duì)高瓦斯低滲透煤層，采用常規(guī)的抽采方法難以達(dá)到高效抽采的目的，有效增加煤層的滲透率成為提高礦井瓦斯抽采效率的主要技術(shù)途徑[2]。改變煤層滲透率的方法主要分為力學(xué)方法和物理化學(xué)方法兩大類。力學(xué)的方法主要有開(kāi)采保護(hù)層、密集鉆孔、卸壓帶抽采、高壓水射流增透、高能氣體壓裂等；物理化學(xué)的方法主要有超聲波、水力震動(dòng)、表面活性劑、惰性氣體置換等[3]。

近年來(lái)，水力造穴技術(shù)作為一項(xiàng)取材便捷、成本低廉的水力化措施在高瓦斯煤層中得到廣泛應(yīng)用。2018年，潞安礦區(qū)在12座高瓦斯礦井全面推廣應(yīng)用了水力造穴增透技術(shù)。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)是潞安集團(tuán)的一座高瓦斯礦井，礦井核定生產(chǎn)能力750萬(wàn)t/a，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)440 m3/min，抽采瓦斯量240 m3/min ，瓦斯抽采率54.5%。主采的3#煤層平均煤厚6.06 m，透氣性系數(shù)0.1460～1.0938 m2/(MPa2·d)，屬于可抽放煤層。余吾煤業(yè)主要采用順層鉆孔本煤層抽采方式，鉆孔間距2.5 m，臨近切眼附近300 m范圍經(jīng)常采用加密鉆孔布置方式，鉆孔間距1.25 m，在打孔過(guò)程中容易出現(xiàn)串孔、卡鉆等現(xiàn)象。鉆孔布置工程量大、高效抽采時(shí)間短、抽采效率低是制約工作面采前預(yù)抽的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 技術(shù)原理與設(shè)備

2.1 技術(shù)原理

水力造穴主要利用高壓水力射流[4]，通過(guò)對(duì)煤層進(jìn)行擴(kuò)孔造穴，增加煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓，為瓦斯釋放和流動(dòng)創(chuàng)造良好條件，洞穴周圍煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性[5]。

水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和了煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除動(dòng)力影響，又可提高煤層的強(qiáng)度、煤層透氣性和瓦斯釋放能力[6-7]，水力造穴原理如圖1所示。

圖1 水力造穴技術(shù)增透原理示意圖

2.2 技術(shù)設(shè)備

余吾煤業(yè)水力造穴采用河南鐵福來(lái)公司的水力造穴一體化設(shè)備[8]，主要包括ZDY4500LXY-A履帶式液壓鉆機(jī)、BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11礦用振動(dòng)篩式固液分離機(jī)、?73 mm高壓密封螺旋鉆桿、?113 mm金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置、打鉆三防裝置。水力造穴成套設(shè)備裝配圖如圖2所示。

(1)高壓水泵。高壓水泵型號(hào)為BQWL200/31.5-XQ200/12履帶式清水泵站。輸出壓力25 MPa，公稱壓力31.5 MPa，容積1200 L，瓦斯流量200 L/min，額定功率75 kW。

(2)振動(dòng)篩。采用型號(hào)為KFS-50/11礦用振動(dòng)篩式固液分離機(jī)。煤水混合物進(jìn)入振動(dòng)篩箱體后，煤隨著篩網(wǎng)的振動(dòng)從出煤口排出，水聚合在出水管從出水口排出。

(3)高壓水刀。高壓水刀，即高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置，該裝置通入低壓水時(shí)從鉆頭前端出水，滿足打鉆要求；通入高壓水時(shí)從裝置兩側(cè)噴頭產(chǎn)生高壓水射流進(jìn)行造穴作業(yè)，噴嘴直徑3.5 mm。

1-BQWL200/31.5-XQ200/12高壓清水泵站；2-ZDY4500LXY-A履帶式液壓鉆機(jī)；3-高壓密封鉆具；4-打鉆三防裝置；5-膠筒；6-高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置；7-煤水分離器圖2 水力造穴成套設(shè)備裝配圖

3 技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化

余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔前期按照間距5.0 m布置，后期調(diào)整至4.0 m，開(kāi)孔高度1.8 m，鉆孔均為仰角，造穴壓力20 MPa，造穴范圍為31～119 m，穴洞間距8.0 m/穴，造穴煤量1.0 t/穴。造穴施工采用“后退式”施工工藝，即鉆孔成孔后邊退鉆邊造穴，在退鉆至不同孔位依次進(jìn)行造穴。

(1)鉆孔間距調(diào)整。2018年水力造穴試驗(yàn)期間，鉆孔間距均按照5.0 m布置，后期考慮到鉆孔深度均為150 m，鉆孔120 m以里范圍內(nèi)無(wú)造穴增透措施，2019年開(kāi)始將鉆孔的造穴孔間距由5.0 m縮小至4.0 m，以縮小未造穴孔段間距。

(2)造穴孔位調(diào)整。前期試驗(yàn)階段鉆孔的造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，每孔造穴12個(gè)，相鄰鉆孔的造穴位置位于鉆孔同一深度，處于同一平行線上，加之鉆孔間距縮小，造穴孔串孔現(xiàn)象較多。為此，將單一的“平行式”布置改變?yōu)椤敖诲e(cuò)式”布置，將相鄰鉆孔的空穴位置在孔內(nèi)交錯(cuò)開(kāi)，擴(kuò)大水力造穴鉆孔增透范圍，使造穴孔段布置更加均勻，提高順層鉆孔的整體抽采效果。具體為：奇數(shù)號(hào)孔造穴孔段為31～120 m，偶數(shù)號(hào)孔造穴孔段為35～124 m，每穴間距均仍為8.0 m。

(3)改用“后退式”造穴。2018年5月N1105回風(fēng)巷自S2#孔采用“前進(jìn)式”造穴，試驗(yàn)至S6#鉆孔，最大深度僅為85 m，頻繁出現(xiàn)夾鉆掉鉆問(wèn)題，前期施工的11個(gè)鉆孔，出現(xiàn)夾鉆鉆孔5個(gè)。為了解決鉆孔成孔深度不足、夾鉆掉鉆問(wèn)題，采用“后退式”造穴進(jìn)行試驗(yàn)，即鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度后，再退鉆至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行造穴，依次對(duì)80 m、90 m、100 m、110 m、120 m造穴深度進(jìn)行了試驗(yàn)，最大造穴深度提升至120 m。試驗(yàn)鉆孔的造穴參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同造穴深度鉆孔造穴參數(shù)

(4)高壓鉆桿的改進(jìn)。N1105回風(fēng)巷施工水力造穴過(guò)程中，煤體松軟破碎，塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重，造成夾鉆事故3次。為此，將過(guò)去采用的淺螺紋肋骨鉆桿更換為三棱高壓鉆桿進(jìn)行排渣，增大了鉆進(jìn)排渣能力，有效減緩了夾鉆掉鉆現(xiàn)象。水力造穴高壓鉆桿改進(jìn)如圖3所示。

圖3 水力造穴高壓鉆桿改進(jìn)

(5)視頻驗(yàn)收造穴出煤量。為保證水力造穴的施工效果，每次造穴出煤量必須達(dá)到要求。前期驗(yàn)收出煤量需要安排技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)跟班，出煤量達(dá)到1.0 t/穴給予驗(yàn)收，出煤量不合格的不予驗(yàn)收。多班次連續(xù)施工占用現(xiàn)場(chǎng)跟班人員較多，為了減少人工投入，余吾煤業(yè)引進(jìn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配套制作了固定容積的量煤箱進(jìn)行煤量驗(yàn)收。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

余吾煤業(yè)自2017年10月開(kāi)始進(jìn)行水力造穴試驗(yàn)，先后在N1103膠帶巷、N1105膠帶巷完成34個(gè)造穴鉆孔試驗(yàn)。2018年5月開(kāi)始正式推廣使用，先后在S5206膠帶巷、N1105回風(fēng)巷、S3102膠帶巷、S5101膠帶巷和S5101回風(fēng)巷完成482個(gè)鉆孔，截至目前累計(jì)完成水力造穴鉆孔516個(gè)，覆蓋巷道范圍2380 m，出煤量逾3700 t。總結(jié)出造穴壓力20 MPa，造穴時(shí)長(zhǎng)30 min/穴，造穴間距8 m，單穴煤量1.0 t的施工參數(shù)。余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔施工統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

4.1 水力造穴鉆孔瓦斯流量衰減變化規(guī)律

因水力造穴施工地點(diǎn)較多，為分析水力造穴鉆孔的瓦斯流量和瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律[9-10]，特選取具有代表性的N1105回風(fēng)巷鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析。N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律如圖4所示。

表2 余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔施工統(tǒng)計(jì)

圖4 N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律

由圖4可以看出，以上8個(gè)鉆孔成孔深度均為155 m，造穴9～12個(gè)，單孔出煤量8～12 t。鉆孔觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)7個(gè)月。最大鉆孔抽采純量為0.24 m3/min，抽采60 d后瓦斯流量衰減至平穩(wěn)值，穩(wěn)定在0.068 m3/min。

為對(duì)比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的抽采瓦斯流量變化，在N1105回風(fēng)巷選取與造穴孔同期成孔的4個(gè)普通鉆孔進(jìn)行了瓦斯流量的對(duì)比，見(jiàn)表3。

4個(gè)對(duì)比孔最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間為4個(gè)月，普通鉆孔的瓦斯流量變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律

4個(gè)普通鉆孔的平均深度為155 m，最大純量為404#孔0.075 m3/min，平均抽采純量為0.026 m3/min。可以看出，普通鉆孔的衰減較快，抽采20 d后瓦斯流量衰減至平穩(wěn)值。

選取抽采時(shí)間與成孔深度相對(duì)一致的水力造穴孔與普通鉆孔進(jìn)行對(duì)比，水力造穴鉆孔的最大抽采純量為0.24 m3/min，是普通鉆孔0.075 m3/min的3.2倍；水力造穴鉆孔平均抽采純量為0.068 m3/min，是普通鉆孔的2.3倍；高效抽采時(shí)間是普通鉆孔的3.0倍。

表3 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔成孔參數(shù)

4.2 水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛人p變化規(guī)律

為分析水力造穴鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，特對(duì)以上選取鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律進(jìn)行了分析。N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖6所示。

由圖6可知，8個(gè)造穴鉆孔中有4個(gè)鉆孔抽采4個(gè)月后出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，其余4個(gè)鉆孔在觀測(cè)期間無(wú)明顯下降趨勢(shì)，均為高瓦斯?jié)舛葼顟B(tài);鉆孔的平均瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在72.2%左右，高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r(shí)間保持較長(zhǎng)。

為對(duì)比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，特對(duì)普通鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律進(jìn)行了分析，如圖7所示。

圖6 N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

圖7 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

由圖7可知，普通鉆孔除405#孔外，抽采4個(gè)月內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛葻o(wú)較大變化，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?2.8%；說(shuō)明普通鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低，但高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r(shí)間與水力造穴鉆孔無(wú)明顯差別。

4.3 巷道整體效率提升

(1)鉆孔成孔深度增大。水力造穴鉆孔采用水鉆施工，排渣效果好，能夠邊造穴邊卸壓，2018年5月水力造穴推廣使用后，各地點(diǎn)的鉆孔成孔深度得到大幅度提升，平均增加深度57.5 m，有效保證了鉆孔覆蓋煤體范圍。造穴前后鉆孔成孔深度對(duì)比如圖8所示。

(2)巷道支管瓦斯?jié)舛忍嵘Ｋυ煅ê筱@孔煤壁暴露面積增大，次生裂隙增加，煤層透氣性獲得改善，高瓦斯?jié)舛韧咚钩掷m(xù)抽采時(shí)間較長(zhǎng)，巷道支管瓦斯瓦斯?jié)舛入S之得到提升，平均抽采瓦斯?jié)舛忍嵘?3.1%，造穴前后巷道抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比如圖9所示。

圖8 造穴前后鉆孔成孔深度對(duì)比

(3)巷道鉆孔萬(wàn)米抽采量提升。為比較鉆孔抽采效率的變化，對(duì)選取鉆孔的萬(wàn)米抽采量進(jìn)行了對(duì)比，水力造穴后巷道鉆孔萬(wàn)米抽采量平均提升0.75 m3/(min·萬(wàn)米)。造穴前后巷道鉆孔萬(wàn)米抽采量對(duì)比如圖10所示。

圖9 造穴前后巷道抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比

圖10 造穴前后巷道鉆孔萬(wàn)米抽采量對(duì)比

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

余吾煤業(yè)通過(guò)不斷嘗試和探索，對(duì)水力造穴的施工工藝和參數(shù)進(jìn)行了有益改進(jìn)和優(yōu)化，形成了一套適合3#煤層的水力造穴施工參數(shù)。

(1)根據(jù)余吾煤業(yè)自身應(yīng)用存在的問(wèn)題，對(duì)鉆孔間距、造穴孔位、造穴順序、鉆桿型號(hào)、驗(yàn)收管理方式等進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。

(2)余吾煤業(yè)累計(jì)完成水力造穴鉆孔516個(gè)，平均單孔抽采純量0.068 m3/min，是普通鉆孔的2.3倍，高效抽采時(shí)間是普通鉆孔的3.0倍。

(3)水力造穴鉆孔的平均瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在72.2%左右，比普通鉆孔瓦斯?jié)舛雀?0%，鉆孔抽采4個(gè)月后瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)衰減，高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r(shí)間保持較長(zhǎng)。

(4)推廣使用水力造穴后，鉆孔成孔深度增加57.5 m，巷道支管瓦斯?jié)舛忍嵘?3.1%，巷道鉆孔抽采量平均提升0.75 m3/(min·萬(wàn)米)，有效提高了采前預(yù)抽孔抽采效率。

5.2 展望

余吾煤業(yè)在水力造穴推廣使用中取得了一定的效果，但是還有許多不足需要繼續(xù)深入研究。

(1)俯孔條件下水力造穴成孔與排渣工藝需進(jìn)行深入研究。余吾煤業(yè)對(duì)負(fù)角度鉆孔水力造穴進(jìn)行了試驗(yàn)，但造穴孔抽采量低于普通鉆孔，出現(xiàn)了大量煤堵水堵現(xiàn)象。今后需要探索新型排渣工藝，對(duì)負(fù)角度鉆孔水力造穴排渣技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

(2)增大水力造穴最大深度。余吾煤業(yè)的順層鉆孔設(shè)計(jì)深度一般在150 m左右，但是目前最大造穴深度為124 m，因設(shè)備能力問(wèn)題，124～150 m范圍鉆孔無(wú)法增透，余吾煤業(yè)將不斷優(yōu)化設(shè)備和施工工藝，增大水力造穴的深度。