高压水射流割缝参数试验研究

刘晋刚

(山西天地王坡煤业有限公司,山西 晋城 048021)

高压水射流割缝既能有效的消除突出危险,又能卸压增透显著提高瓦斯抽采效果,是一种有效的瓦斯治理方法[1-6]。高压水射流割缝的射流压力、割缝速度、缝槽间距等对射流的增透效果和割缝效率具有较大的影响[7-8]。虽然许多研究者在高压水射流割缝方面进行了大量的研究工作,也对割缝参数进行研究,但由于不同矿井煤层条件各不相同,需进一步对高压水射流参数进行研究。为了研究适合长平矿穿层钻孔的高压水射流割缝参数,本文通过现场工业性试验,研究了割缝压力、时间、间距与割缝效率以及瓦斯抽采效果之间的关系。

1 试验区煤层瓦斯基本概况

长平矿是高瓦斯矿井主采3号煤层,煤层平均厚度5.58 m,原始瓦斯含量4.5 m3/t～20 m3/t,原始瓦斯压力0.38 MPa～1.52 MPa,煤层坚固性系数为0.3～0.8,煤层透气性系数为0.011 6 m2/(MPa2·d)～0.052 0 m2/(MPa2·d),钻孔瓦斯流量衰减系数为0.110 1 d-1～0.466 d-1。长平矿3号煤层瓦斯含量高、压力大,煤层松软透气性低,属于难以抽采的煤层。

2 高压水射流割缝参数试验方案

高压水射流割缝参数试验布置在5302底抽1巷,试验设计施工了2组钻孔,每组10个钻孔,共布置穿层钻孔20个,钻孔倾角36°。两组钻孔分别为割缝压力试验钻孔和割缝间距试验钻孔,水射流割缝采用应割尽割的方式,即割缝开始直至返清水或返煤量明显减少时停止割缝。

2.1 水射流割缝压力试验方案

第一组试验钻孔为割缝压力试验钻孔,为考察不同压力对水射流煤层切割的影响,该组试验钻孔采用相同的割缝间距进行水射流割缝,每次割缝直至返清水或返煤量明显减少时停止,并记录割缝时间。割缝压力试验共布置10个钻孔,割缝间距S确定为2 m,割缝压力P分别采用50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa进行试验,每种压力试验两个钻孔,割缝完成后接抽观测瓦斯抽采数据。水射流割缝压力试验钻孔布置如图1所示,具体的割缝参数如表1所示。

图1 水射流割缝压力试验钻孔

表1 压力试验钻孔割缝参数

2.2 水射流割缝间距试验方案

第二组试验钻孔的试验目的是在水射流割缝压力相同的情况下,考察不同水射流割缝密度对煤层卸压及瓦斯抽采的影响,每次割缝直至返清水或返煤量明显减少时停止,并记录割缝时间。本组试验共布置10个钻孔,割缝压力P确定为80 MPa,割缝间距S分别采用0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m进行试验,相同的割缝间距试验两个钻孔,割缝完成后接抽观测瓦斯抽采数据。水射流割缝间距试验钻孔布置如图2所示,具体的割缝参数如表2所示。

图2 水射流割缝间距试验钻孔

表2 压力试验钻孔割缝参数

2.3 水射流割缝时间考察方案

水射流割缝时间考察,主要通过割缝压力和割缝间距的试验钻孔进行考察,每次割缝直至返清水或返煤量明显减少时停止,并记录每次割缝的时间。对第一组和第二组试验钻孔的割缝时间进行收集整理分析,得到合适的割缝时间。

3 试验效果分析

3.1 割缝压力试验效果分析

通过高压水射流试验数据分析发现,不同的割缝压力对水射流煤层切割的影响差异较大。本文采用割缝压力为50 MPa～90 MPa分别进行了试验,试验得出割缝压力不同对割缝钻孔的排渣与割缝效率具有较大影响,试验对比分析如下:

1)试验钻孔割缝压力为50 MPa、60 MPa时,在割缝过程中刚开始孔内有较多的煤渣伴随着水一起排出,但在较短时间内在1 min左右,钻孔内排出的水变得稍有浑浊,伴随的煤渣较少,切割效果不明显。

2)试验试验钻孔割缝压力为70 MPa、80 MPa时,在割缝过程中孔内有较多的煤渣伴随着水一起排出,且能够保持3 min～4 min,排水排渣顺畅,切割顺利。

3)试验试验钻孔割缝压力为90 MPa时,在割缝过程中钻孔内煤渣量非常大,排渣流速缓慢,钻机运转阻力逐渐加,卡钻、堵孔、喷孔现象时有发生。

综合以上不同高压水射流压力下的排渣与割缝效果,水切割压力为70 MPa、80 MPa时,水射流割缝速度快,钻孔排渣顺畅,割缝效率最高,综合得出长平矿3号煤层的高压水射流割缝压力为70 MPa～80 MPa较为合理。

3.2 割缝间距试验效果分析

通过对水力割缝间距试验钻孔进行了27 d的观测,收集、统计、计算了试验钻孔日的抽采纯量以及27 d的累计瓦斯抽采纯量,得到不同割缝间距试验钻孔的日瓦斯抽采纯量随抽采时间的变化曲线,如图3所示,得到不同割缝间距试验钻孔的累计抽采纯量,如图4所示。

图3 试验钻孔日抽采纯量曲线图

通过图3总结分析可以得出:

1)通过高压水射流割缝后,S1#孔、S2#孔、S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的抽采纯量在抽采3 d后均有所提高,得到高压水射流割缝能够提高钻孔的瓦斯抽采量。

2)S1#孔、S2#孔割缝间距为0.5 m,抽采3 d后抽采纯量有一定的提高,但保持时间较短仅有5天左右,抽采量开始减少,究其原因,由于割缝间距较小导致煤体破碎,随抽采对煤体的扰动,钻孔坍塌堵塞,减小了钻孔的抽采距离和范围。

3)S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔割缝间距为1 m和1.5 m,试验后钻孔的抽采量有明显提高,持续高流量抽采时间长,试验效果较好。

4)S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的割缝间距为2 m和2.5 m,通过高压水射流割缝后,钻孔抽采流量增加,但抽采量保持18 d后开始减少,分析其原因为,钻孔割缝间距较大,对煤体卸压不充分。

通过图4可以看出,通过27 d的瓦斯抽采,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的单孔累计抽量明显比S1#孔、S2#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的单孔累计抽量高,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的割缝间距为1 m和1.5 m,因此得到割缝间距为1 m～1.5 m的抽采效果较好。

图4 试验钻孔累计抽采纯量柱状图

3.3 割缝时间考察分析

对割缝压力试验钻孔和割缝间距试验钻孔的割缝时间收集、统计,高压水射流割缝压力为50 MPa、60 MPa时,在割缝开始的第1 min随水排出的煤渣较多,割缝3 min后大部分钻孔内排出的水稍有浑浊或返清水;高压水射流割缝压力为70 MPa、80 MPa时,割缝的前3 min钻孔内有大量的煤渣随水排出,割缝4 min后钻孔内返煤量明显减少;高压水射流割缝压力为90 MPa时,钻孔割缝时间较长,平均每次割缝时间为10 min左右,主要由于割缝时塌孔、堵孔等严重,导致割缝效率低。通过试验统计分析得到,在割缝压力合适的条件下,高压水射流割缝时间为4 min左右较为合适。

4 结论

高压水射流割缝能有效增加煤层透气性系数,提高钻孔的抽采量,合适的割缝参数能够有效提高割缝的效率和钻孔瓦斯抽采效果。通过试验得到以下结论:

1)高压水射流割缝压力为70 MPa、80 MPa时,水射流割缝速度快,钻孔排渣顺畅,割缝效率最高,综合得出长平矿3号煤层的高压水射流割缝压力为70 MPa～80 MPa较为合理。

2)高压水射流割缝间距为1 m和1.5 m时钻孔的抽采效果最好,因此得到较好的割缝间距为1 m～1.5 m。

3)在割缝压力合适的条件下,高压水射流割缝时间为4 min左右时,割缝的效率最高,得到割缝时间为4 min左右较为合适。