煤層高壓水力割縫增透技術(shù)地質(zhì)條件適用性探討

煤層高壓水力割縫增透技術(shù)地質(zhì)條件適用性探討龍威成;孫四清;鄭凱歌;王博;黑雪【摘要】我國(guó)煤層透氣性差,煤層瓦斯預(yù)抽難度大，提高煤層透氣性是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)的應(yīng)用取得較好的效果，但因礦井地質(zhì)條件的差異，也存在部分礦區(qū)應(yīng)用效果不理想的情況.通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)例，研究了不同地質(zhì)條件下高壓水力切割煤層后地應(yīng)力、煤層位移的變化規(guī)律，采用儲(chǔ)層數(shù)值模擬軟件進(jìn)一步研究了水力切割后鉆孔的產(chǎn)氣效果，分析了國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用效果.研究結(jié)果表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)能有效提高煤層透氣性能，大幅提升瓦斯抽采效果;在煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層中應(yīng)用效果更為顯著.％Becauseofpoorcoalseamgaspermeabilityinthecountrywillcausedifficultiesinpredrainage,thustoimprovepermeabilityisthecruxintheissue.Theapplicationofcoalseamhighpressurehydraulicslottingtechnologycanachievegoodresults,sincethedif-ferentminegeologicalconditions;theapplicationeffectinpartofmineareasisstillunsatisfactory.Throughtheoreticalanalysis,numer-icalsimulationandprojectexampleanalysishavestudiedgroundstress,coalseamdisplacementvariationpatternafterhydraulicslot-tingunderdifferentgeologicalconditions.Usingthereservoirnumericalsimulationsoftware,furtherstudiedboreholegasproductionef-fectandanalyzedapplicationeffectindomesticprojects.Theresulthasshownthatthetechnologycanenhancecoalseamgaspermea-bilityeffectively,greatlyenhancegasdrainageeffect.Theapplicationofthetechnologyinthick,largegascontent,crackedsoftcoalmassandlowpermeabilitycoalseamswillachievemoresignificanteffect.【期刊名稱】《中國(guó)煤炭地質(zhì)》【年(卷)，期】2017(029)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P37-40)【關(guān)鍵詞】高壓水力割縫;地質(zhì)條件;適用性;數(shù)值模擬【作者】龍威成;孫四清;鄭凱歌;王博;黑雪【作者單位】中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710054;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710054;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710054;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,西安710054;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,西安710054【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TD723.32瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯問(wèn)題、利用瓦斯清潔能源和緩解大氣溫室效應(yīng)的有效措施。瓦斯抽采技術(shù)在我國(guó)煤礦中應(yīng)用廣泛，取得了很好的效果。但我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層透氣性差，煤層瓦斯預(yù)抽難度大，提高煤層透氣性是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵［1-3］。目前，用于煤礦瓦斯抽采的煤層增透措施主要有深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂和水力擴(kuò)孔等措施［4-5］，每一種強(qiáng)化激勵(lì)措施使用過(guò)程中均不同程度受到多種因素的制約，推廣使用也受到了一定的限制。高壓水射流切割技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型冷切割工藝，相對(duì)于其他熱切割工藝，具有良好的切割、磨削、沖蝕、粉碎功能，且沒(méi)有切割熱，能排除熱變質(zhì)、熱變形的可能性，同時(shí)水射流切割比其他常規(guī)的切割方法更為經(jīng)濟(jì)、有效。由于高壓水射流切割是在常溫下進(jìn)行，切割時(shí)無(wú)火花、無(wú)塵、無(wú)味、無(wú)氣體產(chǎn)生，切割時(shí)不會(huì)使切割體產(chǎn)生大量的位移和變形。盡管高壓水射流割縫技術(shù)迅速發(fā)展，其推廣應(yīng)用受到各行各業(yè)的高度關(guān)注，在地面應(yīng)用比較成熟。但將其引入煤礦井下，對(duì)煤層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行高壓水射流切割，仍需要開(kāi)展大量研究工作。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)于高壓水射流割縫技術(shù)做了大量研究［6-10］，并在許多礦區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐，取得了較好的效果。射流噴嘴射出的水流壓力達(dá)到30MPa及以上，高壓水流能迅速在煤層中切割出縫隙，造成煤層煤體卸壓，有效提高煤層瓦斯抽采量，縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，但因?yàn)榈V井地質(zhì)條件的差異，水力割縫技術(shù)也存在部分礦區(qū)應(yīng)用效果不理想的情況，因此水力割縫增透技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的適用性也需要進(jìn)一步研究。鑒于此，本文對(duì)井下煤層水力割縫增透技術(shù)適用的地質(zhì)條件進(jìn)行研究，并選擇典型礦井進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用考察，以期為井下煤層水力割縫增透技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。資料表明，增大抽采鉆孔的孔徑，增加抽采孔的長(zhǎng)度均能提高抽采孔產(chǎn)量，但在實(shí)際工作中，抽采孔孔徑和長(zhǎng)度增加有限，其效果不理想。相比較而言，改造煤層透氣性對(duì)于提高煤層瓦斯抽采效率更為有效。煤層透氣性大小不僅取決于煤層結(jié)構(gòu)，還與煤層應(yīng)力和其中流體壓力有關(guān)，其關(guān)系式如下［11］：式中：K為煤層滲透率，cm2/(MPa?s);K0為煤層原始滲透率，cm2/(MPa?s);a為系數(shù)，取決于煤層裂隙狀態(tài)；。為煤層應(yīng)力，MPa;p為流體孔隙壓力，MPa。由(1)式可知，對(duì)于特定煤層而言，煤層滲透率與應(yīng)力成反比關(guān)系，即煤層應(yīng)力越小，煤層滲透率越大。通過(guò)開(kāi)采解放層或本煤層割縫等措施，使煤層變形破裂，降低作用在煤體上應(yīng)力，可有效改善煤層透氣性。煤層高壓水力割縫增透技術(shù)是指在井下采用高壓水流在鉆孔內(nèi)切割煤層，利用高壓水流的切割、沖擊作用，使鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，煤體內(nèi)形成扁平縫槽空間，在地壓作用下，煤體向縫槽空間移動(dòng)，增加煤體中的裂隙，大幅度地增加了瓦斯的運(yùn)移通道，改善煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)［12-13］。水力切割形成的縫槽，相當(dāng)于在煤層中開(kāi)采一層極薄的保護(hù)層，形成煤層卸壓區(qū)，達(dá)到增加煤層透氣性的效果。由于高壓水力割縫技術(shù)主要依靠水力破煤達(dá)到割縫的目的，因此煤體抗破壞能力是割縫效果的關(guān)鍵，為了表述方便，文中提出了硬煤和軟煤概念，硬煤是指煤層煤體較完整、煤的堅(jiān)固性系數(shù)較大（f值一般大于0.5）的煤層，軟煤是指煤層煤體碎軟、煤的堅(jiān)固性系數(shù)較?。╢值一般小于0.5）的煤層。為了考察水力割縫技術(shù)對(duì)硬煤、軟煤在鉆孔及水力割縫的影響下力學(xué)及變形的分布特征，選擇FLAC3D作為模擬依托進(jìn)行數(shù)值模擬。2.1模型邊界及參數(shù)考慮模擬實(shí)驗(yàn)的有效性和已有工程實(shí)踐等因素，本次選擇某礦區(qū)主采煤層為計(jì)算對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料收集和文獻(xiàn)查閱等方式獲取建模數(shù)據(jù)（表1）,并確定仿真模型。煤層鉆孔開(kāi)挖沿y方向即煤層走向進(jìn)行，建立模型尺寸為長(zhǎng)50mx傾向?qū)?6mx垂直方向10m，煤層厚度取5m。在計(jì)算范圍內(nèi)取煤層平均埋深400m。模型邊界：為了消除邊界效應(yīng)，在模型走向上，鉆孔前端邊界為10m，傾向兩端留7m邊界。力學(xué)邊界：模型下端采用全部約束，左右側(cè)面分別約束x方向位移，前后側(cè)面約束y方向位移，上端面為自由端。模型頂面受到上覆地應(yīng)力作用，根據(jù)巖體自重計(jì)算公式（P=yH）計(jì)算獲得上覆巖層初模型外垂直應(yīng)力為10MPa。本次主要針對(duì)水力切割分別在軟煤及硬煤煤層中施工后對(duì)煤層應(yīng)力及變形特征的影響效果進(jìn)行模擬。切割環(huán)厚設(shè)定為0.05m，切割半徑為0.5m，鉆孔直徑按照常規(guī)施工鉆孔的直徑，即94mm，根據(jù)巖體自重計(jì)算公式（P=yH）計(jì)算獲得上覆巖層初模型外垂直應(yīng)力為10MPa。2.2模擬結(jié)果分析根據(jù)前述參數(shù)建立的模型，模擬獲得了鉆孔實(shí)施0.5m切割環(huán)下軟煤和硬煤的應(yīng)力及變形的效果。軟煤中水力切割鉆孔應(yīng)力應(yīng)變效果見(jiàn)圖1、圖2,常規(guī)鉆孔本身、硬煤中切割鉆孔切割0.5m縫隙的煤體卸壓及變形效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。圖1、圖2為模擬軟煤中切割0.5m半徑切割環(huán)的應(yīng)力和變形分布效果圖，分析可知：軟煤中實(shí)施0.5m的切割環(huán)時(shí)，其卸壓范圍為垂向上9.8m，比鉆孔本身的影響范圍顯著增大，另夕卜壓力降低到90%的范圍增大至4.1m；水力切割環(huán)施工后，上部變形最大值增大至3.5mm,下部變形增大至3mm,且下部變形范圍由鉆孔時(shí)的1m增大至3m，上部變形范圍由1m增至4.8m，且其范圍是切割縫本身直徑的7.8倍左右。從表2可看出，同樣是施工0.5m半徑的切割環(huán)，硬煤中垂向上卸壓范圍為4.4m,軟煤中垂向上卸壓范圍為9.8m,后者約為前者的2.2倍；硬煤中最大變形量為0.12mm，軟煤中最大變形量為3.5mm，后者約為前者的29倍。由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無(wú)論是在軟煤還是硬煤中，施工鉆孔高壓水力切割措施，其鉆孔應(yīng)力卸壓范圍及煤體變形量均比常規(guī)鉆孔有所增加；軟煤中應(yīng)力及變形的影響范圍均大于硬煤。為了分析研究煤層高壓水力割縫增透后瓦斯抽采的效果，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行了鉆孔水力切割前后瓦斯抽采產(chǎn)能數(shù)值模擬［14-15］?？紤]到不同煤質(zhì)對(duì)于高壓水力割縫增透技術(shù)的應(yīng)用效果，選擇具有代表性的中硬煤層（晉城）和松軟煤層（淮北）進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。采用高壓水力割縫增透技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行改造，高壓泵水壓設(shè)定為30MPa,硬煤中切割煤層形成長(zhǎng)度為700mm、高度為20mm的縫槽，煤體充分卸壓，煤層滲透率由原始的2.06mD增大到4.12mD（參考水力切割煤層應(yīng)力釋放范圍模擬實(shí)驗(yàn)取值），鉆孔抽采影響半徑達(dá)到3m；軟煤中煤層滲透率由改造前的0.68mD增大到2.18mD（參考吳海進(jìn)，林柏泉等人在淮北蘆嶺礦試驗(yàn)），鉆孔抽采影響半徑達(dá)到5m。通過(guò)模擬計(jì)算，獲得了常規(guī)鉆孔和水力切割鉆孔365天內(nèi)單孔瓦斯抽采純流量及抽采純瓦斯總量數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。由圖3(a)可知，硬煤中水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量和抽采總量均比常規(guī)鉆孔有了顯著增加，在水力切割措施實(shí)施后的幾天內(nèi)，抽采純瓦斯流量急劇上升達(dá)到峰值，爾后迅速下降。此現(xiàn)象表明，中硬煤層中瓦斯釋放速度快，煤體堅(jiān)硬難破碎，實(shí)施高壓水力切割改造煤層程度有限。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量約為常規(guī)鉆孔的1.0~2.2倍，考察期內(nèi)切割孔抽采純瓦斯總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的1.8倍。由圖3(b)可知，軟煤中水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量比常規(guī)鉆孔有了顯著增加，同樣在水力切割措施實(shí)施后的幾天內(nèi)，抽采純瓦斯流量急劇上升，但相比硬煤，其峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，曲線下降趨勢(shì)較緩，隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)而趨于平穩(wěn)。此現(xiàn)象表明，松軟煤層中瓦斯流動(dòng)速度較慢，煤體易切割出縫槽，甚至在高壓水沖刷下容易擴(kuò)大槽穴，增大煤體暴露面積并增加卸壓范圍，因此實(shí)施高壓水力切割改造煤層效果較好。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，考察期內(nèi)切割孔單孔抽采瓦斯純流量約為常規(guī)孔的1.3~8.3倍；單孔瓦斯抽采總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的2.7倍。綜上所述，無(wú)論硬煤或軟煤中，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)均能夠改善煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)環(huán)境，提高瓦斯抽采速度和抽采量。相對(duì)而言，水力割縫措施在松軟煤層中的應(yīng)用對(duì)于改造煤層增透和提高瓦斯抽采效果更為顯著。此產(chǎn)能模擬結(jié)果也驗(yàn)證了煤體應(yīng)力及變形數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的正確性。筆者統(tǒng)計(jì)了平煤十二礦、淮北蘆嶺礦等部分國(guó)內(nèi)煤礦水射流割縫煤層增透的實(shí)例[16-19]，資料顯示煤層高壓水力割縫增透技術(shù)目前主要應(yīng)用于煤層瓦斯抽采和煤層消突等方面，分析發(fā)現(xiàn)：高壓水力割縫增透技術(shù)改造煤層的效果與切割設(shè)備能力有關(guān)，水壓越大，切割煤層縫槽規(guī)模越大，越有利于煤層卸壓與瓦斯流動(dòng)。如雞西城山煤礦高壓水力切割試驗(yàn)，水壓由20MPa增至40MPa，割縫深度由180mm增大到970mm。但由于受煤礦井下條件、增大水壓帶來(lái)的高能量損失和設(shè)備體積過(guò)于龐大等問(wèn)題限制，增大高壓水射流切割水壓的條件有限。（2） 水力割縫增透技術(shù)在松軟煤層或構(gòu)造煤軟分層中應(yīng)用，相較于硬煤中應(yīng)用，改造煤層和抽采瓦斯效果更為顯著。在淮北蘆嶺礦試驗(yàn)，8、9煤堅(jiān)固性系數(shù)為0.1~0.3，應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，煤層透氣性約為原始煤層的1.95-3.2倍，30天考察期內(nèi)割縫孔日抽采純量最大達(dá)到未割縫鉆孔的11倍，抽采純總量為7.64倍。在重慶鹽井一礦試驗(yàn)，煤層極其松軟，堅(jiān)固性系數(shù)f值0.01~0.22，應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，孔口瓦斯?jié)舛忍岣?.5倍以上，單孔瓦斯流量提高接近5倍。（3） 水射流切割技術(shù)在煤層厚度較大、瓦斯含量較高的煤層中應(yīng)用效果更為顯著。統(tǒng)計(jì)的實(shí)踐工程資料，煤層厚度均在3m以上，瓦斯含量均大于10m3/t。如在平煤十二礦的試驗(yàn)，煤層厚度3.6m，瓦斯含量達(dá)到22m3/t,應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，鉆孔影響范圍達(dá)到15m（普通孔2-3m）,流量衰減周期延長(zhǎng)7~10倍，瓦斯抽采量提高6-8倍。資料統(tǒng)計(jì)表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)較適用于煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層，使用該技術(shù)能夠有效改造煤層透氣性能，大幅提升瓦斯抽采和防突效果。煤層鉆孔中施工0.5m半徑的切割環(huán)，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變模擬試驗(yàn)，硬煤中垂向上卸壓范圍為4.4m,軟煤中垂向上卸壓范圍為9.8m,后者約為前者的2.2倍；硬煤中最大變形量為0.12mm，軟煤中最大變形量為3.5mm，后者約為前者的29倍。產(chǎn)能模擬試驗(yàn)表明，硬煤中切割孔抽采純瓦斯總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的1.8倍，而在軟煤中，前者約為后者的2.7倍。數(shù)值模擬試驗(yàn)和工程應(yīng)用考察均表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)能有效增大鉆孔周圍煤體卸壓范圍，提高煤層透氣性能，改善煤層瓦斯流動(dòng)通道，大幅提升瓦斯抽采效果；相對(duì)而言，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)在煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層中應(yīng)用效果更為顯著?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理示范工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.龍威成，范寧.王家?guī)X煤礦煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)及瓦斯抽采技術(shù)分析[J].煤炭技術(shù)，2015，34(4)：231-234.張連軍，林柏泉，張海慶，等.穿層鉆孔水力化卸壓增透技術(shù)[J].煤礦安全，2013，44(1)：54-56.趙志堅(jiān).高壓水射流割縫快速消突技術(shù)研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2011.張建國(guó).高壓水射流割縫揭穿煤層關(guān)鍵參數(shù)研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(11)：117-121.劉勇，盧義玉，李