可控沖擊波增透技術在吉寧低孔低滲松軟煤層的應用

蘇士龍，張永民，李文剛，高海海，趙有志，王向東，鄭 亮

(1.華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033099；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.山西華晉吉寧煤業有限責任公司，山西 鄉寧 042100)

山西華晉吉寧煤礦設計生產能力3.0 Mt/a，井田位于華北板塊鄂爾多斯地塊河東區塊的南部邊緣，整體為走向北東，傾向北西的單斜構造。目前開采的2#煤層平均厚度6.22 m，傾角6°，煤的堅固性系數f=0.20，平均噸煤瓦斯含量8.23 m3/t，孔隙率η=3.5%，透氣性系數λ=0.028 3 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數α=0.053 1 d-1，屬較難抽放貧瘦煤層。當前吉寧煤礦所面臨的瓦斯治理難題在于常規措施(含CO2增透和密集鉆孔預抽措施)鉆孔預抽流量衰減快(平均89 d)、抽采純量及濃度低(0.01～0.03 m3/min、30%)，鉆孔預抽時間長、預抽效果差，已嚴重制約了礦井正常生產接續和安全生產。

高瓦斯含量、低透氣性煤層的瓦斯治理一直以來都是制約煤礦企業安全生產的難點，國內相關科研單位先后提出了聲震法、水力壓裂、高壓空氣爆破、CO2增透等瓦斯治理新技術[1-3]。可控沖擊波煤層增透技術能在煤層實施不同尺度的裂隙并形成復雜縫網[4-5]，是目前低透氣性煤層增透的理想措施。結合吉寧煤礦生產進度安排，采用可控沖擊波增透技術在2103工作面軌道順槽巷道內開展鉆孔增透試驗，試驗內容為可控沖擊波影響范圍的驗證和沖擊波作業工藝參數的確定。試驗區域內的本煤層預抽鉆孔采用“三花眼”高低位雙排布置，同排鉆孔間距6 m，下排鉆孔開孔位置距巷道底板1.2 m，上排鉆孔、下排鉆孔間距為0.8 m，鉆孔終孔直徑133 mm。

1 可控沖擊波增透原理

可控沖擊波增透技術的“可控”內涵是指產生的沖擊波幅值、脈寬可控，即沖擊波的壓力和持續時間可通過設置進行控制，使沖擊波的能量控制在煤巖層抗壓強度之上、鉆孔結構的強度之下，不破壞鉆孔結構又能對煤巖層做功。作業區域可控，即通過移動設備，對鉆孔進行多點均衡沖擊，達到全孔段激勵和改造煤層的目的[6-7]，無需其他輔助和配套設施。重復作業次數可控，即沖擊波產生設備的工作次數可根據不同煤巖物性進行智能調整，設備單次入孔可根據需要對鉆孔內多個沖擊點位累計沖擊50～200次。

可控沖擊波的作用原理為：采用初級電源進行儲能，通過設備內部各種開關的快速切換，實現儲能的脈沖壓縮和功率放大，當儲量達到擊穿閾值時，可在極短的時間內(毫秒級)將能量(20 kV及以上)釋放給負載，從而在有限的空間和時間內形成極端條件下的物理環境，同時在介質水的傳播下作用到煤層中[8-9]。通過在設備前端控制能量輸出的大小，所產生的沖擊波峰值雖然可達到150 MPa以上，但其單次沖擊時脈寬持續時間僅有數十微秒，且兩次沖擊的間隔時間在1 min以上，故不會破壞鉆孔的整體結構[10]。沖擊波在不同的區域通過致裂、撕裂和高彈性聲波的作用模式，在煤層中形成沖擊波帶、壓縮波帶和高彈性波帶，分別達到破裂煤層形成裂縫、以剪切和拉張的方式形成縫網，剝離煤粉疏通滲流通道，削弱毛管力促進解吸的目的。隨著沖擊次數的增加，煤體中微裂隙線密度增大，使煤體內里原生裂隙和沖擊波創造的裂隙進行溝通、串聯，形成縫網結構并與鉆孔溝通[11-12]。

2 可控沖擊波增透試驗方案

2.1 試驗鉆孔設計

結合吉寧煤礦生產條件，在兩類區域布置試驗鉆孔，開展可控沖擊波增透試驗，即采幫(受鄰近常規鉆孔影響區域)和非采幫(實體煤，無任何影響)，分別考察鄰近已抽采鉆孔影響和鄰近無任何影響下的可控沖擊波增透效果。 增透試驗鉆孔設計孔深200 m，鉆孔直徑133 mm(可控沖擊波裝置外徑90 mm，裝置總長為6.5 m)，對孔內下入長度15 m的封孔管支護孔口段。受已有常規鉆孔布孔限制，在巷道內相對空白區布置了增透試驗鉆孔。同時，為考察可控沖擊波增透影響效果和范圍，設計了三種距離的觀測鉆孔。最近距離，如距離2#增透鉆孔1 m和3 m處設計軌道2-1#觀測鉆孔和軌道2-2#觀測鉆孔；中等距離，如距離4#增透鉆孔10 m和20 m處設計軌道4-1#觀測鉆孔和軌道4-2#觀測鉆孔；最遠距離，如距離1#增透鉆孔40 m和60 m處設計有軌道1-1#觀測鉆孔和軌道1-2#觀測鉆孔。增透鉆孔與常規鉆孔、增透鉆孔與觀測鉆孔位置設計布置見圖1。

(注：實線為增透孔，虛線為觀測孔。)圖1 增透鉆孔與觀測鉆孔布置圖Fig.1 Layout of anti-reflection boreholes and observation boreholes

2.2 增透工藝參數設計

可控沖擊波增透技術雖然在前期實驗室研究和現場試驗的基礎上取得了一些較好的應用效果[13-14]，但是可控沖擊波在低透氣性煤層瓦斯治理應用中的孔口保留深度、沖擊點間距和單點沖擊次數和對作業效果的影響并沒有較為合理的設計依據和應用借鑒。為尋求目標煤層的最佳作業工藝參數，本次分別形成了孔口保留深度、沖擊點間距和單點沖擊次數的作業工藝參數的對比設計。其中，孔口保留深度出于對安全與作業效果兩方面考慮，設計了0～30 m和0～40 m兩種參數；作業點間距方面，出于沖擊波疊加影響和單孔作業效率兩種考慮，形成了沖擊點間距6 m和9 m兩種參數；單點沖擊次數方面，因不同區域的煤受構造、煤化程度等影響物性相差巨大，分別有單點沖擊6次、8次和9次三種參數。

由于部分鉆孔串孔或終孔進入底板巖層，7個增透試驗鉆孔的實鉆深度合計為1 129 m，平均單孔深度161 m。同時，由于鉆孔不夠平直導致沖擊波設備推送遇阻，未能對全孔實施增透，7個增透鉆孔的增透深度為467 m，平均單孔增透深度66.7 m。增透試驗鉆孔作業參數設計及實際作業參數見表1。

表1 可控沖擊波增透試驗參數設計表Table 1 Parameters design of controllable shock wave antireflection test

2.3 可控沖擊波增透作業工序

作業工序：①采用定向鉆機順煤層完成直徑133 mm鉆孔施工；②沖擊波設備與中心通纜式鉆桿連接，利用鉆機將沖擊波設備推送至孔底第1個增透作業點；③借助法蘭對孔口進行簡易密封；④孔外控制器通過通訊電纜與中心通纜式鉆桿連接，實現孔內和孔外設備的信號通訊；⑤采用通纜式注水器向孔內注入清水，之后孔外控制器接通電源完成作業參數設定并開始作業；⑥利用鉆機將沖擊波設備回退至孔內第2個、第3個、…、第n個作業點位，可控沖擊波增透作業示意見圖2。

圖2 可控沖擊波作業示意圖Fig.2 Diagram of controllable shock wave operation

3 可控沖擊波增透試驗效果與分析

3.1 增透與觀測鉆孔抽采效果

由于鉆孔順應煤層角度，全部試驗鉆孔均為0°～-3°的下行鉆孔，試驗完成后部分試驗鉆孔存在封孔不嚴、鉆孔水無法及時排出等情況，直接影響了增透效果的顯現。2103軌道順槽7個增透鉆孔平均抽采166 d，累計抽出瓦斯量為28.55×104m3，平均單孔抽采量為4.08×104m3，折合單孔抽采量為245.1 m3/d(0.17 m3/min)，較常規鉆孔最高提高15.67倍，平均提高5.60倍。其中，在采幫區域增透鉆孔平均抽采量為259.4 m3/d(表2)，平均提高5.90倍；非采幫實體煤區域增透鉆孔平均抽采量為220 m3/d(表3)，平均提高5倍。

表2 2103軌道采幫區域增透試驗鉆孔抽采情況統計表Table 2 Drainage statistic of antireflection drilling borehole in mining areas of 2103 tunnel

表3 2103軌道非采幫區增透鉆孔抽采情況統計表Table 3 Drainage statistic of antireflection drilling borehole in non-mining areas of 2103 tunnel

在采幫區域增透孔鄰近不同距離上設置的6個觀測鉆孔(表4)累計抽出瓦斯量為14.4×104m3，平均單孔抽采量為2.4×104m3，折合單孔抽采量為181.77 m3/d(0.13 m3/min)，較常規鉆孔最高提高6.67倍，平均提高4.2倍。

表4 2103軌道采幫區觀測鉆孔抽采情況統計表Table 4 Drainage statistic of observation borehole in mining areas of 2103 tunnel

需要說明的是，由于采幫區域有大量常規鉆孔的影響，剔除距離遠、抽采效果異常(兩孔流量對拉)的6#增透鉆孔和7#增透鉆孔，僅將采幫1#增透鉆孔、2#增透鉆孔和4#增透鉆孔與非采幫3#增透鉆孔和5#增透鉆孔日均抽采量進行對比可知，非采幫區域的2個增透鉆孔的日均抽采量是采幫區域3個增透鉆孔(108 m3/d)的2倍，由此可見若采幫區域內無鉆孔或其他措施影響而全部實施增透鉆孔的話，日均抽采量將得到極大提升。

3.2 增透工藝參數分析

結合表2和表3，在相同作業參數條件下，孔口保留深度對增透效果的影響無規律可循。但從安全角度考慮，增透鉆孔的孔口保留深度必須存在，根據現場施工經驗維持在0～40 m較為合適。

對比非采幫與采幫增透鉆孔的作業工藝參數和抽采數據，如6#增透鉆孔和7#增透鉆孔(圖3(a))、3#增透鉆孔和5#增透鉆孔(圖3(b))，兩組鉆孔均存在流量“對拉”現象。表現為：兩鉆孔在抽采初期抽采負壓、鉆孔積水、解吸速度和孔間裂隙貫通而未形成平衡狀態，在抽采曲線上表現為波動較大。隨著抽采時間的持續，裂隙豐富的一側鉆孔抽采量逐步增大，沖擊波影響區域內的甲烷解吸后向該側鉆孔滲流，抽采曲線穩定上升。結合抽采量和抽采曲線認為，針對吉寧煤礦的煤層條件，采用沖擊點間距9 m、單點沖擊次數6～8次的鉆孔抽采情況顯著優于沖擊點間距6 m、單點沖擊9次的鉆孔，如3#增透鉆孔和7#增透鉆孔。

圖3 采幫區與非采幫區增透試驗鉆孔抽采量統計Fig.3 Drainage statistic of anti-reflection borehole in mining areas and non-mining areas

更進一步統計試驗鉆孔的抽采純量、增透深度與沖擊密度(增透作業范圍內，每米作用的增透作業次數)的關系，如圖4所示。在采幫區域由于鄰近常規鉆孔的影響，作業工藝參數方面僅對非采幫實體煤區域的3#增透鉆孔和5#增透鉆孔進行分析。3#增透鉆孔在最小沖擊參數下(9 m/6次，根據實際作業情況折算為沖擊密度0.66次/m)，鉆孔平均抽采純量(0.17 m3/min) 最高； 5#增透鉆孔的沖擊參數最大(6 m/9次，1.55次/m)，其抽采純量雖然略低于3#增透鉆孔，但是參考圖3(b)可知，3#增透鉆孔與5#增透鉆孔的流量“對拉”曲線，隨著抽采時間的延長，3#增透鉆孔的效果顯著高于5#增透鉆孔。綜上分析認為，針對吉寧煤礦這一煤層條件，可控沖擊波作業工藝參數以沖擊點間距9 m，單點沖擊6次為最佳。

圖4 增透鉆孔抽采量與增透工藝參數關系Fig.4 Relationship between drainage of anti-reflection borehole and anti-reflection parameters

3.3 增透影響半徑分析

非采幫區域的3#增透鉆孔、5#增透鉆孔間距150 m，抽采曲線上雖然呈對拉形態，證明存在互相擾動，但是由于沒有觀測孔佐證，不便于增透影響半徑分析。因此，將采幫區域增透本孔與不同距離上觀測鉆孔的抽采曲線進行對比(圖5)，三組觀測鉆孔的抽采效果均好于增透本孔。在最遠距離的1#鉆孔組中，由于增透本孔措施后封孔不嚴，對比性較差，但是距離40 m處的觀測孔，抽采數據顯著高于常規孔和增透本孔，可以認為是可控沖擊波效果；在最近距離的2#增透鉆孔組中，由于距離過近，分析認為兩個觀測孔實際分享了增透效果，尤其在距離3 m位置的觀測鉆孔其抽采曲線與本孔曲線相似度極高；在中等距離的軌道4#增透鉆孔中，兩個觀測孔分布在本孔兩側，整體趨勢相同，但仍高于常規鉆孔抽采情況，可以認為兩孔均受到可控沖擊波影響。

圖5 增透鉆孔與觀測鉆孔抽采量統計Fig.5 Drainage statistic of anti-reflection and observation borehole

采用觀測孔與增透鉆孔的間距、不同距離上觀測鉆孔抽采量的提高來確定沖擊波的影響半徑(表5和圖6)，在最近距離組(1 m和3 m)的兩個觀測孔處于增透孔致裂范圍內，抽采效果好于增透鉆孔；隨著距離的增加和沖擊波對煤層的繼續做功，在中等距離組(10 m和20 m)內的觀測孔效果明顯低于增透孔的抽采效果，指示該區域的壓縮波作用形成了一部分裂隙帶；在最遠距離組(40 m和60 m)的兩個觀測鉆孔抽采量顯著高于增透孔，顯示觀測孔受到高強聲波的作用。將觀測鉆孔與增透孔進行瓦斯抽采量增量對比，在1 m處的觀測孔抽采效果成倍高于增透孔，隨著距離的增加，觀測鉆孔的增量呈線性提高，強烈指示沖擊波的最大影響距離達到60 m左右。

表5 采幫區增透鉆孔、觀測鉆孔間距與抽采量關系表Table 5 Relationship of pitch and drainage between the antireflection drilling borehole and observation borehole

4 結 論

1) 可控沖擊波增透鉆孔日均瓦斯抽采量平均提高5.6倍，觀測鉆孔的平均抽采量為4.2倍，驗證了可控沖擊波可有效提高低透氣性煤層瓦斯預抽鉆孔的抽采效果。

2) 采幫與非采幫區域增透鉆孔抽采曲線均存在流量“對拉”現象，隨著抽采時間的持續，作業參數以9 m作業點間距、6次單點作業次數最佳。孔口保留深度對抽采效果影響較弱，根據現場施工經驗維持在0～40 m較為合適。

3) 隨著距離的增加煤層觀測鉆孔瓦斯抽采增量呈線性提高，可控沖擊波最大增透影響距離達到60 m左右。