可控沖擊波煤層增透與注氣驅替瓦斯治理

王俊虎

(山西焦煤西山煤電 杜兒坪礦,山西 太原 030022)

目前煤層增透技術主要依靠增加鉆孔密度、數量,利用孔壁對煤層泄壓的工藝技術。此工藝未對煤層造成大的傷害,但對煤層的增透力度不夠,在孔周圍形成的裂隙難以深入煤層內部,所以抽采量衰減很快。可控沖擊波增透煤層時,有多個參數可供選擇,在不傷害煤層的前提下,溝通煤層中的裂隙,起到有效增透的目的。控制增透效果的主要參數有:沖擊波的強度、單點沖擊波作業次數、增透作業段間距[1]。

注氣驅替技術主要是利用氣體的驅動作用和置換作用,促進瓦斯的解吸擴散,提高瓦斯采收速率。目前注氣驅替效果不好,主要原因是注入氣體沒有形成豐富的滲流通道[2],而通過可控沖擊波對煤層增透以后,可顯著改善煤層滲透性能。注入高壓氣體提高了煤層能量,加快了煤層瓦斯的滲流速度,進一步促進了瓦斯的解吸擴散,縮短了瓦斯采收時間,有利于礦山瓦斯治理。

1 地質概況

杜兒坪煤礦主采8號煤層,平均煤厚4.59 m,傾角3°,f值為1～2,頂板為石灰巖,底板為細砂巖。依據沈陽煤科院的瓦斯參數鑒定報告,8號煤噸煤瓦斯含量為6.94～10.98 m3,煤層透氣性系數為1.1～1.27 m2/MPa2·d.煤層孔隙率為3.55～5.71,屬可以抽放-較難抽放煤層。預抽時間長、瓦斯抽采率低、采掘接替緊張、工作面瓦斯治理困難等問題,已經嚴重影響了礦井的正常生產接續。

2 增透工藝設計

1) 根據沖擊波產生裝置的結構參數,設計可控沖擊波增透技術在杜兒坪煤礦8號煤層增透時的試驗孔參數、試驗孔布置方式、抽采數據監測方案和沖擊波增透工藝方案。獲得增透試驗前后試驗孔瓦斯初始流量和瓦斯衰減系數,通過不同點位、不同沖擊次數的對比,比較孔中瓦斯初始流量、瓦斯衰減系數與觀測孔距離的變化,分析增透工藝的有效范圍,為沖擊波增透效果提供現場試驗設計參數。

2) 根據杜兒坪煤礦煤層物性和瓦斯抽采規律,在8號煤層北一膠帶機大巷后部瓦斯抽放鉆孔中,設計兩輪實驗。其中第一輪以單個鉆孔的抽采數據驗證作業工藝參數,并研究有效作用范圍;第二輪以區域抽采數據驗證作業工藝參數,并研究有效作用范圍,進行可控沖擊波增透與注氣驅替瓦斯治理試驗[3]。

3) 增透設備入孔及封孔。使用全液壓定向鉆機及配套Φ73/89 mm中心通纜式鉆桿輔助將可控沖擊波產生裝置推送/抽出鉆孔,鉆機輔助推送示意如圖1所示。①移動定向鉆機,為設備入孔騰出空間。首先將可控沖擊波產生裝置送入孔內,操作鉆機將鉆桿與可控沖擊波產生裝置連接,擰緊后開始向孔內推送,送入深度以連接桿數量和增透設備長度進行計算;②在推送期間,必須保證鉆機夾持器牢靠地夾緊鉆桿,嚴禁設備入孔期間轉動,并且推送時鉆機油壓控制在4 MPa以內;③可控沖擊波產生裝置到達孔內設計位置后,開始安裝孔口密封裝置,與封孔管法蘭盤進行對接; ④往鉆孔內注水,待孔口出清水無煤渣后,孔外脈沖電源控制器加電準備作業,人員撤離鉆場,警戒,開始電脈沖增透作業。

圖1 鉆機輔助推送作業簡圖

3 數據監測

根據實施計劃,按期完成所需鉆孔施工后,每一個鉆孔接通單獨的孔板流量計,所有試驗孔接通一個用于監測總流量的孔板流量計。在鉆孔施鉆的同時,對煤體瓦斯壓力、瓦斯含量等相關參數進行測定,作為增透作業前的原始樣本。作業前的抽采數據檢驗,使用現有的技術手段獲得施鉆期間鉆孔區域煤層的瓦斯含量、透氣性系數等相關參數。增透和觀測鉆孔各安裝1個單獨孔板流量計,每組鉆孔安裝1個總量閥門與孔板流量計進行觀測,在全部試驗組總管路上安裝1臺在線監測設備進行實時在線監測,抽采管道內的負壓參數以該礦現行參數進行控制。

4 作業工藝和方案

本次可控沖擊波增透試驗在北一膠帶機大巷后部開展,根據實驗方案施工增透及觀測鉆孔。選定的試驗區域內有足夠的通風、供水、供電和瓦斯抽放、監測系統,具備沖擊波作業條件。第一輪試驗區域鉆孔布置如圖2所示。

圖2 第一輪試驗區域鉆孔布置圖

現場試驗分為兩輪開展,第一輪試驗由4個增透鉆孔組成,在每個瓦斯增透鉆孔的不同間距上安排2個觀測鉆孔,在Z-1和Z-4兩個增透孔外側安排兩個注氣孔B-1、B-2.第二輪實驗為區域驗證,設計6個鉆孔,分別編號為Z-5～Z-10,其中Z-5號為抽采孔,與Z-6號間距為10 m,Z-10號為注氣孔,與Z-9號間距為10 m,Z-6～Z-9號為增透鉆孔,每個鉆孔間距為15 m.Z-6～Z-9號增透后,Z-7號、Z-8號、Z-9號分別連接抽采系統直接抽采,Z-6號作為注氣孔間歇注氣,Z-5號作為抽采孔抽采。

在第一輪試驗中,4個本煤層增透鉆孔編號依次為Z1～Z4;8個本煤層觀測鉆孔,編號依次為G1～G8,增透與觀測鉆孔的孔深為200 m.在Z-1號和Z-4號兩個增透孔外側安排兩個注氣孔B-1、B-2,與普通抽采鉆孔直徑相同,孔深也為200 m.第二輪設計6個鉆孔,編號依次為Z-5～Z-10號,Z-6～Z-9號為本煤層增透鉆孔,Z-6號孔先進行增透后作為注氣孔使用,Z-5號作為抽采孔使用,Z-10號作為注氣孔使用。兩輪次的鉆孔共計需施工20個鉆孔。

前3輪實驗中,每輪分別進行3組參數的試驗。即一個作業間距對應3種單點作業次數,并在不同距離上觀察實驗效果。鉆孔布置示意如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意

試驗孔及觀測孔的布孔間距、實驗內容和實驗目的如表1所示。

在第一輪井下增透試驗中進行4個鉆孔的驗證性試驗,用于探索適用于目標煤層的可控沖擊波作業參數,鉆孔組間距20 m.在Z-1號右側10 m處打平行鉆孔,作為注氣驅替實驗孔,要求孔徑為133 mm,孔深200 m,使用內徑133 mm的封孔管封孔10 m,封孔管孔口應有Φ133 mm的法蘭盤;Z-1號、Z-2號鉆孔作業參數以前期工作為基礎,對試驗孔開展增透試驗。試驗孔中單點作業5次,作業間距每9 m為1個作業點,同時對孔口保留30 m不作業。觀測孔分別距離試驗孔5 m、10 m,試驗孔與觀測孔處于同一水平線上。Z-1號鉆孔增透作業后,退出設備并排干孔內的集水,與抽采管路連接進行抽采。Z-1號鉆孔接入抽采系統后,B-1號注氣孔連接空壓注氣管路,保持0.4 MPa壓力連續注氣驅替。Z-3號、Z-4號鉆孔作業參數調整目的:孔口保留40 m不作業,作業點間距擴大為12 m,每個作業點作業8次。以分散作業點間距,增加單點作業次數增加鉆孔增透的效果。 Z-4號鉆孔增透作業后,退出設備并排干孔內的集水,接入抽采系統; B-1號注氣孔待Z-4號鉆孔接入抽采系統后連接壓風管路,保持0.4 MPa壓力間歇注氣驅替。由于Z-1～Z-4號鉆孔打鉆時間相隔較長,要記錄實驗開始前已打鉆孔的瓦斯抽采量。

表1 井下增透試驗輪次及組次

在第二輪增透驅替試驗中,根據第一輪作業期間鉆孔變化及后期抽采量變化情況,對本輪次鉆孔開展作業,驗證最優作業參數和增透抽采效果,試驗組間距30 m.

5 增透效果檢測及經濟效益

根據項目約束性指標,將增透作業鉆孔與不增透的常規鉆孔抽采效果進行對比,最終以達到或超過項目規定的約束性指標為評判增透作業效果的依據[4]。

其衰減變化規律通常用下式來描述:

qt=q0e-αt

式中:qt為自排時間t的鉆孔自然瓦斯涌出量,m3/min;q0為自排時間t=0時的鉆孔自然瓦斯涌出量,m3/min;α為鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數,d-1;t為鉆孔自排瓦斯時間,d.

q0和α值是通過測定不同時間的鉆孔自然瓦斯涌出量并按上式回歸分析求得的,并可以得到任意時間t內鉆孔自然瓦斯涌出總量Qt.

即:Qt=Qj(1-e-αt)

式中:Qt為時間t內鉆孔自然瓦斯涌出總量,m3;Qj為鉆孔極限瓦斯涌出量,Qj=q0/α, m3.瓦斯流量變化曲線如圖4、圖5所示,鉆孔瓦斯流量衰減系數的測定結果如表2所示。

表2 煤層瓦斯自然涌出特征計算結果

圖4 普通鉆孔瓦斯流量衰減曲線

圖5 增透鉆孔瓦斯流量衰減曲線

從表2及圖6中可以得出,煤層采用可控沖擊波煤層增透與注氣驅替技術后,百米鉆孔初始瓦斯涌出速度降低了22.324 4 L/min,鉆孔自然瓦斯流量衰減系數降低了0.003 9 d-1.目前第一實驗階段已經初步開展,通過實驗選取最佳的驅替壓力[5]。從目前所打鉆孔可以看出,北一膠帶機大巷通過實施抽采負壓13 600 Pa,節流350 Pa,瓦斯抽采體積分數為45%,抽采純量為8.03 m3/min.抽采純量提高了3.72 m3/min.全年發電量提高了6 397 568 kW·h.統計分析不同驅替方式對增透煤層瓦斯抽采量的影響,選擇合適的驅替方式。通過評價增透孔注氣驅替與注氣孔直接驅替達到的瓦斯治理效果,優化聯合治理瓦斯方案。結合水力壓裂技術,提高礦井抽放量。