高能气体预裂增透抽采瓦斯技术及实践

杨思凡,郝 凯

(晋能控股集团 沁秀煤业有限公司坪上煤业, 山西 晋城 048200)

瓦斯一直是困扰煤矿安全高效开采的首要难题,瓦斯抽采手段已经成为防治煤与瓦斯突出和煤系能源开发最重要的技术之一。随着煤矿技术的发展,国内外学者和工程技术人员提出了多种矿井瓦斯抽采方法[1-2],主要包括开采层抽采、邻近层抽采和采空区抽采3类。

我国煤矿地质条件复杂,煤层瓦斯含量高、煤质松软、煤层透气性系数低、地应力大,该类特征的煤层瓦斯抽采往往较为困难。目前我国煤矿瓦斯高效抽采的主要技术手段是采用一定力学效应的技术对煤层结构进行扰动,使其产生裂隙,从而增加瓦斯逸散通道、提升煤层透气性。如大孔径钻孔及交叉布孔卸压、高压注水、水力压裂、水力割缝、水力增透、CO2预裂增透、高能气体增透、深孔爆破增透等技术方法[3-5].

高能气体压裂技术可以形成不受原始地应力控制的多条径向主裂缝体系[6-7],具有工艺简单、安全可靠、费用低、对地层污染小、无需水源要求等优势。山西省长治市沁水煤田某煤矿3号煤层裂隙不发育,瓦斯抽采具有透气性差、衰减快、流量小等特征。因此,拟实施高能气体增透技术以提高瓦斯抽采率和抽采速度。

1 高能气体预裂增透机理

高能气体预裂增透集射孔和压裂作用于一体[7]. 在高能气体预裂增透过程中,高压气体从高压管中瞬时喷出作用于钻孔孔壁,气体射流轴心方向的动能最大,在孔壁滞点优先破坏煤层,主要是开启原始裂隙并向远端延伸,当动能小于煤体强度时,裂隙扩展终止;同时,后续气体静压力迅速跟进,对射孔孔道进行冲刷、压裂,产生径向和轴向的裂缝,直至其静压力小于煤体强度,最终在煤层孔道中形成多向网状裂缝,可大幅提高煤层透气性[8].

根据钻孔周围煤岩不同状态,从钻孔由近及远划分为4个区:破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区[9]. 通常,高能气体压裂都采用柱状装药,爆炸后产生的应力波多为柱面波。爆炸时在煤岩钻孔中形成冲击波,冲击波快速衰减,演变为应力波,继续往煤岩深部传播,变为弹性地震波[10]. 由于煤层结构的裂隙-孔隙二重性,钻孔在成孔过程中对围岩的破坏,使钻孔与围岩之间生成了沟通钻孔和煤岩内部孔隙裂隙的缝隙。当封闭的钻孔内给予不断升高的空气压力时,钻孔内压力将随连通裂隙渗流入煤岩内部,驱动部分裂隙扩展[11].

2 矿井瓦斯抽采状况

实验地点位于山西省长治市,为沁水煤田。预裂煤层为二叠系下统山西组3号煤,煤层厚度4.30～5.80 m,平均厚4.76 m. 煤层结构简单,全区可采,缓倾斜煤层。煤层顶板为深灰岩泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,局部为砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩,深灰色粉砂岩。3号煤为贫煤,煤质坚硬,煤层瓦斯含量4.87～20.08 m3/t,平均为14.52 m3/t,瓦斯含量大。钻孔瓦斯流量衰减系数0.097 8～0.148 d-1,煤层透气性系数0.005 54～0.007 3 m2/MPa2·d,煤层裂隙不发育,内生裂隙普遍处于压实闭合状态,具有透气性差、衰减快、流量小等难抽煤层的综合特征。

目前矿井回采工作面采用密集钻孔抽采,钻孔直径115 mm,钻孔间距1 m,钻孔长度120～150 m,交叉钻孔,聚氨酯封孔和水泥封孔;掘进工作面采用边掘边抽、预抽瓦斯的方法。

对1137个钻孔、长107 605 m钻孔瓦斯抽采数据统计,见表1. 5条巷道的管路最高瓦斯浓度为9.34%,最低为1.95%,平均为5.006%. 巷道万米钻孔瓦斯抽采量最大为1.97 m3/min,最小为0.58 m3/min,平均为1.184 m3/min. 可见,采用原瓦斯抽采方法,其回采面的抽采效率较低,具有抽采瓦斯浓度低、纯瓦斯流量小、万米瓦斯抽采效率差等特征。

表1 矿井瓦斯抽采情况统计表

3 高能气体预裂增透实践

实验初期采用迎头、钻场抽采,在迎头正中布置1个高能气体预裂孔,左右钻场内12个钻孔作为辅助孔。钻孔深度为60 m,钻孔孔径为113～115 mm,掘进工作面迎头预裂60 m为一个循环(预裂孔长80 m,允许掘进60 m),钻场辅助孔可在预裂作业前施工。封孔深度大于15 m.

煤层透气性系数采用中国矿业大学提出的径向不稳定流动法的计算公式进行测定[2],预裂前原始钻孔煤层透气性系数为0.003 809 m2/(MPa2·d),而采用高能气体预裂增透钻孔煤层透气性系数为0.186 899 m2/(MPa2·d). 预裂后,透气性系数提高近50倍,煤层透气性大幅提升,极大地促进了瓦斯抽采。

钻孔瓦斯流量衰减系数采用下式进行测定:

qt=q0e-βt

式中:qt为百米钻孔经t日后排放时的瓦斯流量,m3/min·hm;q0为百米钻孔成孔初始时的瓦斯流量,m3/min·hm;t为钻孔涌出瓦斯经历时间,d;β为钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1.

预裂前后测定结果分别见图1,图2.

图1 1#原始钻孔瓦斯自然涌出衰减规律图

图2 3#高能气体预裂增透钻孔瓦斯自然涌出衰减规律图

1#原始钻孔瓦斯自然涌出衰减规律y=16.766e-0.294 3x,得钻孔衰减系数为0.294 3 d-1,百米钻孔瓦斯自然涌出极限为215.932 5 m3;3#预裂钻孔瓦斯自然涌出衰减规律y=9.046 2e-0.049 6 x,得钻孔衰减系数为0.049 6 d-1,百米钻孔瓦斯自然涌出极限为858.045 2 m3. 钻孔瓦斯自然涌出衰减系数由0.294 3 d-1降低到0.049 6 d-1,煤层由难抽变为可抽;百米钻孔瓦斯自然涌出极限提高近4倍。

注入/压降试井作为一种常用试井方法在煤层气井中广泛应用,基于煤储层低压、低渗的特征,利用煤层气试井的基本原理,对井下煤层渗透率进行测试[12].

通过对原始钻孔注入/恢复测试,得到原始钻孔气体渗透率为0.01 mD. 高能气体预裂增透钻孔气体渗透率为0.295 mD,预裂后煤层渗透率提高29.5倍。

采用压力指标法对瓦斯有效抽采半径进行测试。根据井下实测原始钻孔瓦斯压力-时间拟合关系,得出预裂前后钻孔瓦斯抽采半径与时间关系,见图3,4. 可以看出,高能气体预裂增透钻孔有效抽采半径在相同的时间内要远优于原始钻孔瓦斯抽采有效影响半径,提升2.5倍以上。

图3 原始钻孔瓦斯抽采半径与时间关系图

图4 高能气体预裂增透钻孔瓦斯抽采半径与时间关系图

瓦斯抽采过程中,普通预抽钻孔封孔并网后,单孔瓦斯浓度在7～15天会衰减到5%～10%,纯瓦斯流量为0.01～0.03 m3/min,抽采效率快速下降,导致抽采效果较差。

对1#及3#实践孔采用高能气体预裂增透抽采技术实践后,为进一步考察高能气体预裂增透技术瓦斯抽采效果,共施工和连续监测高能气体预裂增透瓦斯抽采钻孔16个,预裂后抽采时间为2～7个月,平均瓦斯纯流量平均浓度为32.9%,提高了5～7倍;最小纯量0.03 m3/min,最大纯量0.13 m3/min,平均纯量0.062 5 m3/min,提高6倍左右,测定参数见图5.

图5 16个预裂钻孔平均瓦斯抽采参数柱状图

为考察预裂孔瓦斯抽采效果,选择1301工作面运输巷预裂2-1钻孔,统计了自4月14日至5月28日共计44天的抽采参数,共计154组数据,得到瓦斯抽采参数变化趋势见图6. 由图6可知,预裂后单孔平均浓度为45.24%,提高4～9倍;平均瓦斯纯流量0.103 m3/min,提高3～8倍;累计抽采瓦斯11 420.64 m3.

图6 1301运输巷2-1预裂孔瓦斯抽采参数趋势图

统计1301工作面运输巷预裂B2钻孔201天的抽采参数,共计402组数据,得到瓦斯抽采参数变化趋势见图7. 预裂后单孔平均浓度为53.6%,提高5～10倍;平均瓦斯纯流量0.079 m3/min,提高2～8倍;累计抽采瓦斯22 865.76 m3.

图7 1301运输巷B2预裂孔瓦斯抽采参数趋势图

对回采工作面预裂增透情况进行了统计,试验孔瓦斯浓度由试验前的5%～10%提高到32.6%～67%,提高了3～6倍;钻孔平均单孔抽采瓦斯量由试验前的14.4 m3/d提高到了90 m3/d以上,平均提高6.25倍。

采用高能气体预裂后,掘进工作消突取得进展,防突参数钻屑解吸指标K1值超限频率大幅度降低。据15个掘进面2340 m掘进量统计,在掘进工作面施工39个循环,监测数据1332次,百米巷道K1值超限率由高能气体预裂增透之前密集钻孔技术的4.135次,下降到高能气体预裂增透后的0.548次,下降了86.7%.

4 结 语

1) 高能气体预裂增透技术可有效提升煤层透气性,低渗透性煤层高能气体预裂后使煤层地应力重新分布,可以改善局部应力集中状态,均衡应力场,起到消突效果;预裂后煤层产生大量裂隙,提高渗透率,大幅度提高了瓦斯抽采速度和抽采率。

2) 高能气体预裂技术实施后,钻孔瓦斯自然涌出衰减系数降低5.93倍,煤层由难抽变为可抽;百米钻孔瓦斯自然涌出极限提高近4倍,煤层渗透率提高29.5倍,瓦斯抽采有效影响半径提升2.5倍以上;掘进面预裂孔平均瓦斯纯流量平均浓度提高5～7倍,平均纯量提高6倍;回采工作面瓦斯浓度提高3～6倍,钻孔平均单孔日抽采瓦斯量平均提高6.25倍;对掘进工作消突作用大,防突参数钻屑解吸指标K1值超标同比下降了86.7%.