高瓦斯礦井開采層瓦斯抽采技術研究

蔡振鑫

（華陽新材料科技集團新元公司，山西 壽陽 045000）

我國大部分地區煤層滲透性較低，地面煤層氣勘探及通過地下礦井采氣比較困難。我國是世界上最大的產煤國之一，但煤層氣開采過程的效率較低，造成氣體排放遠遠高于其他國家。我國2005年煤礦瓦斯排放量占世界總排放量的41%。與此同時，我國也成為受煤礦瓦斯災害影響最嚴重的國家之一[1-2]。隨著開采深度的增加，地應力和煤層氣含量增加，但煤層滲透率下降，煤礦瓦斯開采和瓦斯災害防治更難實現。煤礦氣體是一種溫室氣體，在井下是一種危險氣體。但通過提高煤層透氣性，提高瓦斯開采利用效率，可將這種有害溫室轉化為清潔能源[3-4]。因此本文致力于在高瓦斯礦井開采層中，針對不同煤層物理性質，研究水力擴孔鉆孔對瓦斯抽放的影響。

1 液壓鉸孔試驗

1.1 測試地質情況

某煤礦3號煤層為主要開采煤層，厚度0～6.35 m，平均4.69 m。總體而言，該煤礦煤層透氣性較差，瓦斯流動衰減快，瓦斯抽采難以實現。含氣性的區域差異明顯。3號煤層第一盤含氣量為6.99～12.73 m3/t時，滲透系數為0.21～0.46 m3/（MPa2·d）、原瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，每100 m鉆孔瓦斯流量為0.0005～0.0039 m3/min，鉆孔氣體流動衰減系數為0.14～0.39 d-1。

在兩個現場進行了液壓擴眼試驗。試驗場地1號在3號煤層北翼回風巷道中，試驗場地2號在3091底板巖巷中。從3號煤層的3個不同層獲取了煤樣，并進行了物性參數測定。實測物理參數平均值見表1。1號試驗場煤層較為完整，2號試驗場煤層破碎。1號試驗點和2號試驗點煤樣結構如圖1、圖2所示。

圖1 1號采煤點

圖2 2號采煤點

表1 測試點煤物料參數

1.2 測試設備

采用高壓水射流進行水力鉆孔擴孔，提高鉆孔直徑和排氣量。液壓擴孔系統對液壓鉆孔擴孔效果有很大的影響。液壓擴眼系統包括鉆機、密封鉆桿、鉆頭、高壓泵、油罐、密封旋轉接頭、高壓控制閥、高壓噴嘴、預防裝置、氣水分離裝置。

1.2.1 用于試驗的鉆機

用于試驗的鉆機型號為ZDY-4200LPS，是煤礦常用鉆機，轉速范圍寬，扭矩大，滿足鉆井和液壓鉸孔的要求。鉆桿直徑為73 mm，鉆頭直徑為133 mm。

1.2.2 高壓水管

高壓水管與壓力泵、密封的旋轉接頭、密封的鉆桿連接。它是長距離高壓水輸送的重要組成部分。高壓水管由橡膠和鋼絲制成，額定壓力為40 MPa。連接壓力泵的高壓水管外徑為38 mm，高壓水管外徑連接一個密封旋轉接頭是25 mm。快速接頭和u型斜鍵連接水管、壓力泵和旋轉接頭。

1.2.3 密封鉆桿

對密封鉆桿的結構進行了優化，提高了密封鉆桿的強度和密封性能。對于密封，在錐形接頭中增加了一個平行部分，并在接頭的內壁嵌入了一個橡膠圈。

1.2.4 噴射裝置

射流裝置是液壓擴孔系統的關鍵部件，極大地影響水力提帶和鉆孔結渣的效果。

1.2.5 高壓泵

采用BRW400/37液泵作為高壓泵進行試驗。額定流量400 L/min，額定壓力37 MPa。矩形水箱與乳化液泵相連，用于儲水。水箱長、寬、高分別為2.45 m、1.45 m、1.4 m，容積為2.5 m3。

1.3 1號采煤點進行試驗

1.3.1 測試參數

在1號采煤點鉆孔，如表2所示，共鉆孔10個，相鄰鉆孔間距為10 m，傾角為60°，方位角為0，鉆孔直徑為133 mm。為了獲得合適的射流水壓，分別對3號、4號、9號、1號和2號鉆孔進行了不同水壓的擴孔，對3號和4號鉆孔分別進行了10 MPa和15 MPa的擴孔。此外，煤渣在測試期間的排放大約0.2 t。9號鉆孔水壓20 MPa時，煤渣在測試期間是0.8 t。1號鉆孔水的壓力25 MPa，其余鉆孔均采用水力擴孔，水壓為30 MPa，試驗時煤渣每孔的排量不小于8 t。根據排渣量和相應的水壓，適宜的射流水壓為25～30 MPa。試驗參數如表2所示。煤渣粒度比較均勻，一般小于10 mm，試驗中較容易實現出渣。

表2 1號采煤區測試參數

1.3.2 瓦斯抽采數據

針對排渣質量較大的情況，采用1號、2號、5號、6號、7號、8號、10號鉆孔對水力擴孔后瓦斯抽采效果進行了分析。7孔平均抽采量在0～40 d內，瓦斯抽采流量達到10～200 m3/d。在40～58 d內，瓦斯抽采流量達到10 m3/d。59～77 d內瓦斯抽采流量明顯改善，達到50～175 m3/d。在78～90 d內，瓦斯抽采流量明顯減小，達到10～50 m3/d。如圖3所示。

圖3 1/2/5/6/7/8/10號孔瓦斯平均抽采量

針對排渣少的情況，對3號、4號、9號鉆孔水力擴孔分析，由于該3孔使用水壓較小，這些鉆孔的排量非常小，對瓦斯抽采幾乎沒有影響。以3號、4號、9號鉆孔為參照，對比分析了1號、2號、5號、6號、7號、8號、10號鉆孔水力擴孔后對瓦斯抽采的影響。3號孔、4號孔、9號孔水力擴眼后瓦斯平均抽采量如圖4所示。水力擴孔后90天內瓦斯抽采流量變化和總量較小。

圖4 3/4/9號孔瓦斯平均抽采量

1.3.3 效果分析

如圖3、圖4所示，水力擴孔對瓦斯抽采有顯著影響。當水射流的壓力較小時，煤渣的質量排出較小，0～70 d內瓦斯抽采的平均流量為10～12 m3/d。當水射流的壓力較大時，煤渣的質量排出較大，0～70 d瓦斯抽采平均流量為80～300 m3/d。

1.4 2號采煤點進行試驗

1.4.1 測試參數

在2號采煤點鉆孔。共鉆了7個鉆孔，相鄰鉆孔間距為10 m，傾角為60°，方位角為0，鉆孔直徑為133 mm。其中5個鉆孔作為水力擴孔，2個普通鉆孔作為參考孔。射流水壓為8～27 MPa，射流流量為86～292 L/min，流量質量為3.5～11.5 t。試驗參數見表3。煤渣粒度相對不均勻，有的達到50 mm以上，試驗中出渣量較難。

表3 2號采煤點測試參數

1.4.2 瓦斯抽采數據

采用1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5鉆孔分析了水力擴眼后瓦斯抽采的影響，1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5平均瓦斯抽采數據見圖5。水力鉆孔后瓦斯抽采平均流量約為10 m3/d。

圖5 1號孔瓦斯抽采量

以水力擴孔的#1309-6和#1309-7鉆孔為例進行了對比分析，如圖6所示。瓦斯抽采平均流量為8 m3/d。

圖6 1309-6號孔瓦斯抽采量

1.4.3 效果分析

如5、圖6圖所示，采用了水力鉆孔的瓦斯抽采量平均僅比普通鉆孔的抽采量多2 m3/d。水力鉆孔對煤層破碎的2號采煤點效果不明顯。

2 實驗討論

2.1 噴射壓力的影響

在實驗中，發現射流和壓力與煤的結構有密切的關系。1號采煤點所需噴射壓力為25～30 MPa，2號采煤點所需噴射壓力為8～15 MPa。造成這一現象的主要原因是1號和2號試驗點的煤巖硬度系數相近，但2號試驗點的抗剪強度差異較大。1號試驗場煤結構相對完整，破壞程度較小，破碎煤和剝離煤渣難度較大。2號試驗場煤體破碎，煤體結構破壞程度較高，易發生煤體破碎，煤渣剝落。

2.2 對排渣的影響

通過對比試驗中使用的壓力和流量，對結果進行了分析。使用相同條件的測試設備，流量和射流壓力顯示正相關。在1號試驗場采用大壓力、大流量時，由于煤體結構完整，鉆孔壁不易坍塌，射流將排渣切成較小、粒度均勻的煤渣，易實現排渣。在2號試驗現場采用大壓力、大流量時，由于煤體結構破碎，鉆孔壁易坍塌，鉆孔內產生大量大塊尺寸較大的煤渣，難以排渣。在2號試驗場采用小壓力、小流量時，由于煤體結構破碎，煤渣粒徑較大。對于小流量和大粒度的煤渣，排渣也很難實現。

2.3 對瓦斯抽采的影響

如圖3和圖4所示，在煤結構相對完整的情況下，采用大噴射壓力水力擴孔方式，可以對瓦斯抽采有顯著影響。但是如5和圖6圖所示，在煤結構相對破碎的情況下，采用大噴射壓力水力擴孔方式，對瓦斯抽采量影響不大。

3 結論

1）液壓擴孔在該礦的抽采效果較好，可以不同程度地提高抽采工作的效率。

2）用于水力擴孔的水射流壓力主要取決于煤的結構。當煤層基本整合時，水射流的臨界壓力較大。

3）當煤結構相對一體化時，抽采相對容易實現，對瓦斯抽采的阻礙作用較小，施加擴孔后瓦斯抽采明顯增加。當煤結構破碎時，排氣量難以實現，對瓦斯抽采的阻礙作用明顯，擴孔后瓦斯抽采略有變化。