貴州中井煤礦瓦斯增透技術的應用研究

中冶建工集團有限公司 重慶 400084

由于松軟煤層的滲透率低、增透難度大，要實現(xiàn)松軟煤層的瓦斯低成本高效抽采十分困難。目前通常采用的增透技術主要有深孔預裂爆破、高壓水力割縫等新技術，有力地推動了低透性煤層瓦斯抽采效率的大幅提高。但是，由于其抽采工藝復雜，導致施工成本居高不下，并不能實現(xiàn)低成本高效瓦斯抽采。邱愛慈[1]院士領銜研發(fā)的電脈沖沖擊波增透技術已在保德煤礦、韓城煤礦等礦井得到了成功應用，證明了其技術的可行性和有效性。在松軟煤層增透技術方面還需要進行更多的應用研究，完善其工藝流程，提高施工操作效率。針對中井煤礦煤層存在的透氣性差、瓦斯體積分數(shù)低、抽采難度大等技術難題，采用脈沖沖擊波增透技術裝備對煤層進行增透作業(yè)，可有效提高中井煤礦煤層的透氣性，增加瓦斯抽采體積分數(shù)和抽采量。

脈沖沖擊波增透裝備[2-3]具有高能量密度、高能量轉換效率、高穩(wěn)定性和長使用壽命的優(yōu)點，適合用于復雜地質條件下低透氣性煤層的瓦斯開采。

1 脈沖沖擊波增透裝備的構成

脈沖沖擊波增透裝備主要由電源控制柜、傳輸電纜、高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器及能量轉換器等組成。一般將高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器和能量轉換器集成為一個棒狀剛性整體，如圖 1 所示。

圖1 脈沖沖擊波發(fā)生裝置Fig.1 Pulse shock wave generator

裝備的工作原理[4-7]：電源控制器將煤礦 660/1 140 V 的工頻電源經過整流逆變成 300 V 的中頻電源，輸出電流幅值小于 10 A，頻率為 1 kHz；中頻電流經過脈沖沖擊波增透技術裝備的變壓器和整流器升壓整流之后變成直流電，為儲能電容器充電；當充電到能量達到能量控制器的閾值時，儲能電容器與能量轉換器接通，將電能輸送給能量轉換器；能量轉換器將電能轉換為沖擊波的能量釋放，沖擊波能量作用于煤層，從而導致煤層致裂。

2 增透作業(yè)工藝流程

根據(jù)煤層軟硬程度不同，確定是否需設置必要的鉆孔套筒，以保護鉆孔壁，避免出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。針對松軟煤層，開展了鉆孔 PVC 和玻璃鋼 2 種材質的支撐套管模擬支撐試驗，經過 2 周的測試，套管能夠很好地支撐鉆孔，沒有出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象。在順層水平鉆孔中實施沖擊波增透作業(yè)時，須解決入孔設備推進與抽出時存在的問題。對于水平孔須借用外力推進才能將脈沖沖擊波發(fā)生裝置輸送至作業(yè)點的問題，采用鉆機推進是可行的技術方案；對于下行孔采用推送桿即可將脈沖沖擊波發(fā)生裝置輸送至作業(yè)點。推進工藝如圖 2、3 所示。

圖2 水平鉆孔中沖擊波發(fā)生裝置推進示意Fig.2 Advancing sketch of shock wave generator during horizontal drilling

工藝流程如下：

圖3 下行鉆孔中沖擊波發(fā)生裝置推進示意Fig.3 Advancing sketch of shock wave generator during downward drilling

(1)增透裝置置入鉆孔 鉆機先鉆出合適規(guī)格的孔，然后退出鉆桿，送入支撐套管。封孔裝置固定之后，將沖擊波發(fā)生裝置裝入鉆孔，通過過渡鉆桿段與鉆機鉆桿連接在一起，開啟鉆機，推進裝置在鉆孔中行進至設定的位置。

(2)封孔 沖擊波發(fā)生裝置到達預設位置時，用封孔裝置密封。

(3)注水 向鉆孔內注水，當孔內水壓穩(wěn)定在 0.2 MPa 時，停止注水。

(4)增透作業(yè) 人員撤離至安全操作區(qū)域，接通電源，開展增透作業(yè)。在第 1 個點達到預設增透次數(shù)之后，停止作業(yè)，檢查鉆孔是否有塌孔現(xiàn)象。在孔內第 1 個點完成增透作業(yè)后，移動沖擊波發(fā)生裝置至下個沖擊作業(yè)位置，循環(huán)以上步驟，直至完成孔內全部設計作業(yè)點位的脈沖增透作業(yè)。

3 增透作業(yè)

中井煤礦煤層增透作業(yè)分為 3 部分：瓦斯抽采鉆孔布置、增透作業(yè)實施和煤層增透后的瓦斯抽采。

3.1 基本情況

中井煤礦位于貴州省水城縣，隸屬于格目底礦業(yè)公司，占地面積約為 4.8 km2，為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含煤地層厚約 420 m，煤層總厚度為 17.0～54.5 m，可采煤層累計平均厚度約為 15.7 m。沖擊波增透作業(yè)目標煤層為 K9 煤層，屬于中灰煤組。該煤層厚度為0.56～3.44 m，平均厚度為 2.23 m[8-9]。10903 采面采用腸壁采煤法回采，平均埋深為 200 m，走向長度約為800 m；K9 組煤層傾角為 15°，煤層厚度約為 3 m，平均瓦斯含量約為 11 m3/t，透氣性系數(shù)為 0.111 5 m2/(MPa2·d)，存在瓦斯突出危險，因此在該采面進行沖擊波增透作業(yè)。回風巷和運輸巷的掘進方向沿著K9 煤層回采工作面走向進行。

3.2 抽采孔布置

順煤層布置瓦斯抽采鉆孔 20 組，其中實施沖擊波增透作業(yè)的孔 12 組，未增透孔(參照孔)6 組，輔助抽采孔 2 組。參照孔和輔助抽采孔間距約為 40 m，平均深度為 213 m。

每組增透孔在巷道中按一定的分布距離鉆 5 個抽采孔，孔徑為 133 mm，鉆孔間距為 5、10、15 和 40 m，鉆孔設計深度為 210 m，編號分別為 K1～K5。鉆孔施工時，先采用φ115 mm 鉆頭完成鉆進，然后使用φ133 mm 鉆頭進行二次擴孔。

3.3 增透作業(yè)實施

采用鉆機將沖擊波產生裝置推入瓦斯抽采孔 K1(試驗孔)，推入深度為 50 m，實施沖擊波增透作業(yè)。增透裝置只能送達孔深 45 m 處，因此在該處實施煤層增透作業(yè)，進行 15 次沖擊作業(yè)。將設備向外抽出 3 m，重復沖擊作業(yè)，以此類推，直至完成該孔內 5 個作業(yè)點的沖擊波增透作業(yè)。增透作業(yè)現(xiàn)場如圖 4 所示。

圖4 煤層增透作業(yè)現(xiàn)場Fig.4 Site of coal seam permeability enhancement operation

在實際施工過程中，增透孔遇到了鉆孔曲率過大的問題，導致有些鉆孔不能在孔底實施增透作業(yè)，只能在沖擊波裝置能夠送達的點位實施增透作業(yè)。增透孔實際深度為 198～225 m，平均增透長度為 120 m，單孔平均進行增透作業(yè) 140 次。

3.4 煤層增透后的瓦斯抽采

瓦斯抽采鉆孔完成后，對所有鉆孔展開抽采工作，并記錄瓦斯體積分數(shù)、瓦斯抽采量等關鍵數(shù)據(jù)，作為基礎數(shù)據(jù)。

在 K1 孔實施沖擊波增透作業(yè)時，其余鉆孔同時開展抽采作業(yè)。撤出 K1 孔內設備后，對該孔繼續(xù)進行抽采作業(yè)。增透孔和參照孔進行不少于 30 d 的瓦斯抽采，記錄瓦斯體積分數(shù)和瓦斯抽采量的變化數(shù)據(jù)。

4 增透效果分析

增透作業(yè)實施后，增透效果顯著，瓦斯體積分數(shù)提高約 2.4 倍，抽采影響半徑增加 1 倍以上，單孔瓦斯抽采量成倍增長。平均抽采 180 d，增透孔與未進行增透作業(yè)的抽采孔(參照孔)瓦斯日均抽采量及瓦斯體積分數(shù)變化如表 1、2 所列。

表1 增透孔單孔瓦斯抽采量Tab.1 Gas drainage volume per permeability enhanced hole

表2 未增透孔和輔助抽采孔單孔瓦斯抽采量Tab.2 Gas drainage volume of hole before permeability enhancement and auxiliary drainage hole

4.1 單孔瓦斯抽采量變化分析

12 組增透抽采孔日均瓦斯抽采量達到 994.5 m3/d，未增透孔與輔助抽采孔日均瓦斯抽采量約為309 m3/d，單孔日均瓦斯抽采量增加了 2.22 倍。由表1 可知，即使增透效果最差的回風巷 6 號孔的日均瓦斯抽采量也達到了未增透孔的 1.17 倍；增透效果最好的孔日均瓦斯抽采量是參照孔最高值的 6.45 倍，是均值的 9.66 倍。在實施了增透作業(yè)的孔中，運輸巷15 號孔和回風巷 14 號孔日均抽采量分別為 2 984 m3/d和 2 401 m3/d，增透效果顯著。

值得注意的是，完成增透作業(yè)的煤層，其單孔日均瓦斯抽采量與最高日瓦斯抽采量、累計瓦斯抽采量均出現(xiàn)顯著增長趨勢，證明了瓦斯增透效果明顯。

4.2 瓦斯體積分數(shù)變化分析

由表 1、2 可以看出，未增透孔及輔助抽采孔的瓦斯體積分數(shù)為 5.55%～17.72%，平均為 13.44%；增透作業(yè)孔的瓦斯體積分數(shù)為 19.10%～46.65%，平均為 32.27%。

實施增透作業(yè)后，瓦斯的平均體積分數(shù)提高了1.40 倍，即使是增透孔中瓦斯體積分數(shù)最低值 19.10%，也明顯高于參照孔中瓦斯體積分數(shù)最高值 17.72%。

隨著抽采時間的增長，無論是否進行過增透作業(yè)，單孔的瓦斯體積分數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。當抽采時間達到一定的天數(shù)后，瓦斯體積分數(shù)變化趨于平緩。部分增透孔瓦斯體積分數(shù)變化曲線如圖 5 所示。

圖5 增透孔瓦斯體積分數(shù)變化曲線Fig.5 Variation curve of gas volume fraction of permeability enhanced hole

由圖 5 可知，增透作業(yè)改變了原有煤層瓦斯體積分數(shù)衰減規(guī)律，在增透作業(yè)之后的初期階段，瓦斯體積分數(shù)顯著提高。增透孔瓦斯體積分數(shù)在增透后的抽采前期下降十分緩慢，較為穩(wěn)定，部分孔瓦斯體積分數(shù)甚至略有提升。

4.3 增透影響半徑分析

根據(jù)瓦斯抽采量對比分析，沖擊波增透作業(yè)顯著提高了鉆孔瓦斯抽采的有效影響半徑。以運輸巷 15號增透孔為例，半徑 20 m 范圍瓦斯量為 37.6 萬 m3，經過 60 d 抽采后，累計抽采瓦斯 29.4 萬 m3，按 50%抽采率計算，有效影響半徑約為 31 m；抽采結束時，累計抽采瓦斯 54.0 萬 m3，有效抽采半徑約為 57 m。

5 結論

(1)幅值為 80 MPa，沖量 3 000 N·s/m2的沖擊波增透裝置能夠有效改善松軟煤層的透氣性。

(2)在相同的沖擊參數(shù)下，根據(jù)瓦斯抽采量和瓦斯體積分數(shù)分析，最佳的沖擊次數(shù)約為 1 次/m。

(3)沖擊波增透之后，改善了煤層抽采效果。單孔日均瓦斯抽采量提高了 2.22 倍，增透效果最好的孔平均瓦斯抽采量是參照孔最高值的 6.45 倍，是參照孔均值的 9.66 倍。在最大抽采量方面，單孔增透之后是原來的 6.45 倍，增透效果顯著。未增透孔及輔助抽采孔的瓦斯體積分數(shù)均值為 13.44%，增透作業(yè)孔的瓦斯體積分數(shù)均值為 32.27%，提高了 1.40 倍。即使是增透孔的瓦斯體積分數(shù)最低值 19.10%，也明顯高于參照孔的瓦斯體積分數(shù)最高值 17.72%。經過 60 d 抽采，有效影響半徑提高到 31 m；抽采終期，有效影響半徑提高到 57 m，降低了抽采孔的鉆孔密度，減少了鉆孔工程量，降低了瓦斯抽采成本。

(4)通過增透作業(yè)實踐，驗證了脈沖沖擊波增透工藝過程的可行性和完善性，可滿足煤礦安全的要求。