高瓦斯矿井开采层瓦斯抽采技术研究

蔡振鑫

（华阳新材料科技集团新元公司，山西 寿阳 045000）

我国大部分地区煤层渗透性较低，地面煤层气勘探及通过地下矿井采气比较困难。我国是世界上最大的产煤国之一，但煤层气开采过程的效率较低，造成气体排放远远高于其他国家。我国2005年煤矿瓦斯排放量占世界总排放量的41%。与此同时，我国也成为受煤矿瓦斯灾害影响最严重的国家之一[1-2]。随着开采深度的增加，地应力和煤层气含量增加，但煤层渗透率下降，煤矿瓦斯开采和瓦斯灾害防治更难实现。煤矿气体是一种温室气体，在井下是一种危险气体。但通过提高煤层透气性，提高瓦斯开采利用效率，可将这种有害温室转化为清洁能源[3-4]。因此本文致力于在高瓦斯矿井开采层中，针对不同煤层物理性质，研究水力扩孔钻孔对瓦斯抽放的影响。

1 液压铰孔试验

1.1 测试地质情况

某煤矿3号煤层为主要开采煤层，厚度0～6.35 m，平均4.69 m。总体而言，该煤矿煤层透气性较差，瓦斯流动衰减快，瓦斯抽采难以实现。含气性的区域差异明显。3号煤层第一盘含气量为6.99～12.73 m3/t时，渗透系数为0.21～0.46 m3/（MPa2·d）、原瓦斯压力为0.06～0.71 MPa，每100 m钻孔瓦斯流量为0.0005～0.0039 m3/min，钻孔气体流动衰减系数为0.14～0.39 d-1。

在两个现场进行了液压扩眼试验。试验场地1号在3号煤层北翼回风巷道中，试验场地2号在3091底板岩巷中。从3号煤层的3个不同层获取了煤样，并进行了物性参数测定。实测物理参数平均值见表1。1号试验场煤层较为完整，2号试验场煤层破碎。1号试验点和2号试验点煤样结构如图1、图2所示。

图1 1号采煤点

图2 2号采煤点

表1 测试点煤物料参数

1.2 测试设备

采用高压水射流进行水力钻孔扩孔，提高钻孔直径和排气量。液压扩孔系统对液压钻孔扩孔效果有很大的影响。液压扩眼系统包括钻机、密封钻杆、钻头、高压泵、油罐、密封旋转接头、高压控制阀、高压喷嘴、预防装置、气水分离装置。

1.2.1 用于试验的钻机

用于试验的钻机型号为ZDY-4200LPS，是煤矿常用钻机，转速范围宽，扭矩大，满足钻井和液压铰孔的要求。钻杆直径为73 mm，钻头直径为133 mm。

1.2.2 高压水管

高压水管与压力泵、密封的旋转接头、密封的钻杆连接。它是长距离高压水输送的重要组成部分。高压水管由橡胶和钢丝制成，额定压力为40 MPa。连接压力泵的高压水管外径为38 mm，高压水管外径连接一个密封旋转接头是25 mm。快速接头和u型斜键连接水管、压力泵和旋转接头。

1.2.3 密封钻杆

对密封钻杆的结构进行了优化，提高了密封钻杆的强度和密封性能。对于密封，在锥形接头中增加了一个平行部分，并在接头的内壁嵌入了一个橡胶圈。

1.2.4 喷射装置

射流装置是液压扩孔系统的关键部件，极大地影响水力提带和钻孔结渣的效果。

1.2.5 高压泵

采用BRW400/37液泵作为高压泵进行试验。额定流量400 L/min，额定压力37 MPa。矩形水箱与乳化液泵相连，用于储水。水箱长、宽、高分别为2.45 m、1.45 m、1.4 m，容积为2.5 m3。

1.3 1号采煤点进行试验

1.3.1 测试参数

在1号采煤点钻孔，如表2所示，共钻孔10个，相邻钻孔间距为10 m，倾角为60°，方位角为0，钻孔直径为133 mm。为了获得合适的射流水压，分别对3号、4号、9号、1号和2号钻孔进行了不同水压的扩孔，对3号和4号钻孔分别进行了10 MPa和15 MPa的扩孔。此外，煤渣在测试期间的排放大约0.2 t。9号钻孔水压20 MPa时，煤渣在测试期间是0.8 t。1号钻孔水的压力25 MPa，其余钻孔均采用水力扩孔，水压为30 MPa，试验时煤渣每孔的排量不小于8 t。根据排渣量和相应的水压，适宜的射流水压为25～30 MPa。试验参数如表2所示。煤渣粒度比较均匀，一般小于10 mm，试验中较容易实现出渣。

表2 1号采煤区测试参数

1.3.2 瓦斯抽采数据

针对排渣质量较大的情况，采用1号、2号、5号、6号、7号、8号、10号钻孔对水力扩孔后瓦斯抽采效果进行了分析。7孔平均抽采量在0～40 d内，瓦斯抽采流量达到10～200 m3/d。在40～58 d内，瓦斯抽采流量达到10 m3/d。59～77 d内瓦斯抽采流量明显改善，达到50～175 m3/d。在78～90 d内，瓦斯抽采流量明显减小，达到10～50 m3/d。如图3所示。

图3 1/2/5/6/7/8/10号孔瓦斯平均抽采量

针对排渣少的情况，对3号、4号、9号钻孔水力扩孔分析，由于该3孔使用水压较小，这些钻孔的排量非常小，对瓦斯抽采几乎没有影响。以3号、4号、9号钻孔为参照，对比分析了1号、2号、5号、6号、7号、8号、10号钻孔水力扩孔后对瓦斯抽采的影响。3号孔、4号孔、9号孔水力扩眼后瓦斯平均抽采量如图4所示。水力扩孔后90天内瓦斯抽采流量变化和总量较小。

图4 3/4/9号孔瓦斯平均抽采量

1.3.3 效果分析

如图3、图4所示，水力扩孔对瓦斯抽采有显著影响。当水射流的压力较小时，煤渣的质量排出较小，0～70 d内瓦斯抽采的平均流量为10～12 m3/d。当水射流的压力较大时，煤渣的质量排出较大，0～70 d瓦斯抽采平均流量为80～300 m3/d。

1.4 2号采煤点进行试验

1.4.1 测试参数

在2号采煤点钻孔。共钻了7个钻孔，相邻钻孔间距为10 m，倾角为60°，方位角为0，钻孔直径为133 mm。其中5个钻孔作为水力扩孔，2个普通钻孔作为参考孔。射流水压为8～27 MPa，射流流量为86～292 L/min，流量质量为3.5～11.5 t。试验参数见表3。煤渣粒度相对不均匀，有的达到50 mm以上，试验中出渣量较难。

表3 2号采煤点测试参数

1.4.2 瓦斯抽采数据

采用1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5钻孔分析了水力扩眼后瓦斯抽采的影响，1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5平均瓦斯抽采数据见图5。水力钻孔后瓦斯抽采平均流量约为10 m3/d。

图5 1号孔瓦斯抽采量

以水力扩孔的#1309-6和#1309-7钻孔为例进行了对比分析，如图6所示。瓦斯抽采平均流量为8 m3/d。

图6 1309-6号孔瓦斯抽采量

1.4.3 效果分析

如5、图6图所示，采用了水力钻孔的瓦斯抽采量平均仅比普通钻孔的抽采量多2 m3/d。水力钻孔对煤层破碎的2号采煤点效果不明显。

2 实验讨论

2.1 喷射压力的影响

在实验中，发现射流和压力与煤的结构有密切的关系。1号采煤点所需喷射压力为25～30 MPa，2号采煤点所需喷射压力为8～15 MPa。造成这一现象的主要原因是1号和2号试验点的煤岩硬度系数相近，但2号试验点的抗剪强度差异较大。1号试验场煤结构相对完整，破坏程度较小，破碎煤和剥离煤渣难度较大。2号试验场煤体破碎，煤体结构破坏程度较高，易发生煤体破碎，煤渣剥落。

2.2 对排渣的影响

通过对比试验中使用的压力和流量，对结果进行了分析。使用相同条件的测试设备，流量和射流压力显示正相关。在1号试验场采用大压力、大流量时，由于煤体结构完整，钻孔壁不易坍塌，射流将排渣切成较小、粒度均匀的煤渣，易实现排渣。在2号试验现场采用大压力、大流量时，由于煤体结构破碎，钻孔壁易坍塌，钻孔内产生大量大块尺寸较大的煤渣，难以排渣。在2号试验场采用小压力、小流量时，由于煤体结构破碎，煤渣粒径较大。对于小流量和大粒度的煤渣，排渣也很难实现。

2.3 对瓦斯抽采的影响

如图3和图4所示，在煤结构相对完整的情况下，采用大喷射压力水力扩孔方式，可以对瓦斯抽采有显著影响。但是如5和图6图所示，在煤结构相对破碎的情况下，采用大喷射压力水力扩孔方式，对瓦斯抽采量影响不大。

3 结论

1）液压扩孔在该矿的抽采效果较好，可以不同程度地提高抽采工作的效率。

2）用于水力扩孔的水射流压力主要取决于煤的结构。当煤层基本整合时，水射流的临界压力较大。

3）当煤结构相对一体化时，抽采相对容易实现，对瓦斯抽采的阻碍作用较小，施加扩孔后瓦斯抽采明显增加。当煤结构破碎时，排气量难以实现，对瓦斯抽采的阻碍作用明显，扩孔后瓦斯抽采略有变化。