潞安矿区王庄煤矿9106水力割缝技术应用

王 磊

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046103)

王庄煤矿原有水力造穴设备在91采区进行造穴增透强化瓦斯抽采，效果有待进一步提高。经过对王庄煤矿3号煤层煤岩力学参数、瓦斯参数及瓦斯抽采参数的测定和调研，分析王庄煤矿煤层特征，其属于高瓦低渗透性煤层，煤层瓦斯含量较高，但由于渗透性差，采用顺层钻孔或水力造穴增透技术[1-3]，抽采效果不甚理想。针对该煤层特点，提出采用水力割缝与造穴相结合，在王庄煤矿现有水力造穴设备的基础上，在不增加设备成本及人工工时成本的基础上，引入具有聚能作用的水力割缝水刀，同时改进增透工艺，提出适用于王庄煤矿的瓦斯抽采增透技术[4]。

1 水力割缝增透原理

煤层中瓦斯分为游离瓦斯和吸附瓦斯，其中吸附瓦斯含量占总含量的80%～90%.瓦斯的游离态和吸附态在一定的条件下是可以相互转化的[5-6]。瓦斯抽采是抽采煤层中的游离瓦斯，因此要想提高抽放效果，不仅在抽采工艺、封孔质量上要有所改进，更重要的是创造条件让煤层中的吸附瓦斯转变成游离瓦斯[7-9]。水力割缝增透原理如图1所示。

图1 水力割缝增透原理

2 现场应用

2.1 工作面概况

9106工作面位于91采区，煤层自燃倾向性为Ⅲ级不易自燃，有粉尘爆炸性。9106工作面原始瓦斯含量在8 m3/t，残存瓦斯含量为1.56～2.57 m3/t，煤层的孔隙率为2.84%～3.57%，透气性系数为0.028 8～0.054 7 m2/(MPa2·d)，衰减系数为0.012 8～0.018 1 d-1，瓦斯放散初速度为8.4～9.8 mL/s.

2.2 设备说明

钻机整体结构、液压系统如图2所示，主要由履带底盘、立柱组件、导轨组件、油箱组件、操作机构、动力头、夹持器、动力系统，冷却器等组成[10]。

图2 水力增透设备组成

2.3 施工方案

为了充分考察水力割缝增透的实际效果，保证试验地点在效果考察期间不受干扰，选择在9106运巷未施工瓦斯抽采钻孔的位置，共施工2组钻孔，每组5个，共计10个钻孔，根据现场实际情况逐步实施。具体设计如下。

2.3.1 原有钻孔造穴技术实施

第一组测试水力造穴瓦斯抽采效果。如图3所示，在9106运巷未施工瓦斯抽采钻孔位置施工5个钻孔，钻孔间距4 m，采用水力造穴增透。如图4所示，每个钻孔长165 m，单孔共造14个穴，每个穴造1 m(出4箱煤即完成1个穴)，间距是10 m，最后一个穴离距离孔口20 m.同时记录水力造穴完成一个孔所需时间。

图3 水力造穴钻孔布置示意

图4 水力造穴成孔示意

每个钻孔施工完毕后，要求立即封孔联网抽采，5个钻孔为一组并联后安装1个孔板流量计，钻孔连抽后要求每天测定该组孔的瓦斯抽采负压、流量、浓度等参数。

2.3.2 水力割缝技术实施

第二组测试水力割缝瓦斯抽采效果。如图5所示，在9106运巷未施工瓦斯抽采钻孔位置，施工5个钻孔，采用水力割缝增透技术。如图6所示，每个钻孔长165 m，单孔共造70个缝，割缝宽度预计6～10 cm(按出1箱煤即完成1个缝)，割缝间距2 m，最后一个缝距离孔口20 m，割缝时水压应保持在20 MPa，水流量20 mL/min.同时记录水力割缝完成1个孔施工所需时间。为保障新工艺不增加王庄煤矿成本投入，项目组引进了如图7所示的具有聚能作用的割缝水刀，其他设备均沿用矿上以前的造穴设备。

图5 水力割缝钻孔布置示意

图6 水力割缝成孔示意

图7 项目组新引入的具有聚能设计的割缝水刀

每个钻孔施工完毕后，要求立即封孔联网抽采，5个钻孔为一组并联后安装1个孔板流量计，钻孔连抽后要求每天测定该组孔的瓦斯抽采负压、流量、浓度等参数。

3 两种增透技术的数值模拟分析

为分析水力造穴和水力割缝两种工艺对煤层的影响效果，利用FLAC3D数值模拟软件，对两种增透技术对煤的影响展开模拟，分析水力造穴和水力割缝对煤的应力变化和位移变化的影响[11-14]。造穴和水力割缝对煤的应力变化和位移变化影响如图8～图14所示。

图8 水力造穴对煤层影响位移云图

图9 水力割缝对煤层影响位移云图

图10 水力造穴和水力割缝后煤体竖直应力分布垂直钻孔剖面图

图11 水力造穴和水力割缝后煤体竖直位移分布垂直钻孔剖面图

图12 水力造穴和水力割缝后煤体水平位移分布沿钻孔剖面图

图13 水力造穴和水力割缝后煤体竖直应力分布沿钻孔剖面图

图14 水力造穴和水力割缝后煤体应力分布沿钻孔剖面

由图8～图14可知，水力造穴增透技术单个穴出煤量大，影响范围广，对煤体产生的位移影响大于单个割缝的效果，因此破碎煤体增加其透气性的效果也好于单个缝[15-16]。但是由于成本控制，每个钻孔造穴数量有限，各穴之间间距为10 m.由图8和图12(b)可知，两穴之间存在较大的未受影响区域，即增透空白带，割缝技术虽然单个缝的出煤量及影响范围小于造穴，但其增透影响区域可实现有效串联，增透空白区域小，因此增透效果优于造穴技术。

4 抽采效果分析

为了检验水力割缝与水力造穴增透技术对低透气煤层的增透效果，项目组对两种增透技术下钻孔进行并网抽采，并对瓦斯抽采效果进行了监测，从抽采纯量来看，水力割缝的效果优于水力造穴。由图15可以观察到各孔负压、浓度、混合流量以及抽采纯量。

图15 抽采效果对比

如图15所示，水力造穴(340、342、344)和水力割缝(354、356、358)的瓦斯抽采体积分数都低于10%，原因是该区域钻孔距压裂中心较远、煤层卸压效果差、产生裂隙少，且该处煤体强度低、煤层松软、钻孔易跨孔堵塞，所以导致瓦斯抽采浓度低。水力造穴(346、348)和水力割缝隙(350、352)钻孔抽采体积分数均大于30%，说明水力造穴和水力割缝使煤层发生变形和破坏，产生大量的裂隙，从而提高煤层透气性。

由图15(c)可以得出，水力造穴总抽采纯量11.43 m3/h，水力割缝隙总抽采纯量17.74 m3/h，单日抽采纯量提高55.21%.说明水力割缝比水力造穴更能提高钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采效果。

5 结 语

通过现场实践与数值模拟相结合的方式，提出适用于潞安矿区实验矿井的瓦斯卸压增透技术方案，在矿井现有设备基础上，以不增加成本为前提，提出了将水力造穴优化为具有聚能效果的水力割缝技术，有效解决了穴间增透空白带较多，抽采效果不佳的问题，提高了抽采效率。