“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验_冯文军.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-08-29 作者简介 冯文军（1988）， 男， 河南周口人， 硕士研究生， 从事瓦斯防治与煤层气开发研究工作. E-mail wenjunhpu 引用格式 冯文军，苏现波，王建伟，等. “三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验［J］. 煤田地质与勘探， 2015，43（1）100-103. 文章编号 1001-1986（2015）01-0100-04 “三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验 冯文军 1，苏现波1，王建伟2，秦俊宾2，李贤忠1 （1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2. 郑煤集团公司大平煤矿，河南 登封 452373） 摘要 水力冲孔是实现“三软”煤层瓦斯高效抽采的有效途径之一。通过应力应变-煤体结构-渗 透率的耦合实验，揭示了“三软”煤层渗透率随煤体结构和应力变化的演化规律，发现软煤在卸 压后渗透率得到大规模提升。以 Hoek-Brown 准则为理论依据，通过数值模拟，发现水力冲孔出煤 后的卸压增透范围显著增加。采用自主研发的“瓦斯抽采孔水力作业机” ，在郑煤集团大平煤矿 21141 底板抽放巷进行了水力冲孔试验，使得水力冲孔更加安全、高效，并使得老孔的修复成为现 实。现场试验充分检验了装备的可靠性和理论分析的准确性，显著提高了煤层瓦斯的抽采效率。 关 键 词 “三软”煤层；水力冲孔；卸压增透；瓦斯抽采 中图分类号TU44 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.021 The mechanism and field test of permeability improvement by hydraulic ing in three-soft and single coal seam FENG Wenjun1， SU Xianbo1， WANG Jianwei2， QIN Junbin2， LI Xianzhong1 （1. School of Energy Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China； 2. Daping Mine， Zhengzhou Coal Industry Group Corporation Ltd.， Dengfeng 452373， China） Abstract Hydraulic ing is the most effective way for high-efficient extraction in three-soft coal seam. In this paper， the mechanism was studied by laboratory experiment， theoretical analysis and field test for pressure relief and permeability improvement in three-soft coal seam after hydraulic ing. The coupling experiment of stress and strain-coal structure-permeability revealed the evolution of permeability along with the change of the structure and stress， and found that permeability of soft coal was improved on a large scale after pressure relief. Based on Hoek-Brown criterion theory， the numerical simulation results show that the relief range increased significantly af- ter hydraulic ing in coal. The hydraulic ing tests using self-developed machine for gas drainage borehole in 21141 floor drainage tunnel of Daping Mine shows， the machine made hydraulic ing more secure and effi- cient， and made it possible to repair the old drainage borehole . The field tests fully tested the reliability of the equipment and the accuracy of the above theoretical analysis， and improved the extraction efficiency significantly. Key words three-soft coal seam； hydraulic ing； pressure relief and permeability improvement； gas drainage 无论国内还是国外，“三软”煤层煤炭资源量都 占据着相当大的比例［1］。随着“三软”煤层矿井开采 深度的增加，煤层瓦斯压力与含量逐渐增大、透气 性系数降低，瓦斯治理难度加大。以往通常采用增 加钻孔密度提高抽采量，然而工程量的增加并没有 显著提高抽采效率，存在严重的采掘失衡现象。高 压水射流技术的引入拓宽了瓦斯治理的思路，国内 外学者围绕煤层增透、消突进行了深入研究，相继 在煤矿井下展开水力冲孔［2-4］、水力割缝［5］、脉冲水 射流［6］的试验与应用。穿层钻孔水力冲孔技术，以 顶（底）板岩石巷道为安全屏障，依靠高压水射流的 冲击作用，破坏并冲出部分煤体，造成钻孔周围煤 体失稳变形，作用范围内煤层得到充分卸压，大幅 提高煤层渗透率。但卸压增透的机理还需进一步完 善。在冲孔装备方面多采用高压密封钻杆或专门的 冲孔管，但它是多根连接的、不连续的；注水泵组 的压力和排量也较低；且就地操作，会致使水力作 业过程中容易埋管、劳动强度大、效率低、存在安 全隐患等。 通过研究煤体受载破坏过程中渗透率的变化， ChaoXing 第 1 期 冯文军等 “三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验 101 揭示软煤卸压增透的机理； 运用自主研发的“瓦斯抽 采孔水力作业机”， 通过在大平矿 21141 底板抽放巷 的水力冲孔试验，有效提高抽采半径和抽采效率的 同时，提高了冲孔效率、操作安全性，降低工人劳 动强度，具有广阔的应用前景。 1 不同结构煤层增透机理 1.1 煤体结构-应力-渗透率耦合实验 为探讨不同结构煤体的增透机理，设计了轴向 应力-渗透率-时间的实验。实验系统包括煤的应力 应变测试系统、渗透率测试系统和声发射监测 3 部 分（图 1）。在荷载作用下，煤样逐渐发生变形直至最 后破裂， 煤体结构从原生结构煤逐步演化到糜棱煤， 通过这一实验，研究了渗透率和煤体结构、轴向应 力的耦合关系。 1.2 实验结果分析 从图 2 可以看出，对于原生结构煤，在发生破 坏前煤体处于弹性应变区，随着压力的增加，渗透 率逐渐降低（I 区）。如果继续加压，煤体发生塑性变 形，产生裂隙，并相互导通，使得煤体在此阶段渗 透率迅速增大（II 区）。 这表明对于硬煤， 采用水力压 裂可以有效进行储层改造，提高煤层的渗透性。此 时如果继续维持较高的轴压，煤体将进一步破碎为 碎粒煤和糜棱煤，产生的裂隙在高压作用下重新闭 合或相互切截，致使渗透率下降（III 区）。相反，此 时降低轴压进行卸载实验，渗透率反而急剧增加， 并超过前期由于裂缝产生渗透率的最大值（IV 区）； 进一步的加载实验，渗透率又急剧降低（VI）。这说 明软煤难以通过水力压裂造缝增透，但可通过卸压 实现增透。 图 1 实验测试系统 Fig.1 Experimental testing system 图 2 煤体压缩应力-渗透率-时间曲线 Fig.2 Curve of stress-permeability-time of coal compression 实验表明，针对“三软”单一煤层无法进行本煤 层或者“虚拟储层［7］”水力压裂增透，又无保护层开 采现实，只有设法降低煤层应力来提高其渗透率。 以往进行的保护层开采［8-9］、水力割缝、水力冲孔等 都是基于卸压增透的原理，并经实践证明是可行且 有效的。 1.3 钻孔出煤周围应力分布 水力冲孔出煤后，钻孔周围应力重新分布，如 果煤岩体强度较低不能抵抗较高的应力，钻孔周围 将产生塑性区甚至破碎，应力向深部转移，于是在 一定范围内将会产生应力集中和应力降低（图 3）。 钻孔冲孔出煤后，周围煤层遭到破坏，不能再 采用完整岩体进行求解计算，因此采用 Hoek- Brown［10］准则（式 1），计算得到水力冲孔后钻孔塑性 区半径［11］（式 2） b 13ci3 ci （）a m sσσσσ σ （1） ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 3 钻孔冲孔出煤后应力分布 Fig.3 Stress distribution in borehole after ing （） pi 11 21rd b 22 bci bb exp 1 aa a RR ss ma mmm σ σ -- - ■■■■ ■■■■ ■■ ■■■■ -- ■■■■■■ ■■■■■■ ■■ ■■■■■■ ■■■■ （2） 式 中 mb为 岩 体 的Hoek-Brown参 数 ， b m i 100 exp 28 14 GSI m D -■■ ■■ - ■■ ；s、a 为岩体特性的常数， 100 exp 93 GSI s D -■■ ■■ - ■■ ， （） 1520 3 1 0.5ee 6 GSI a -- -； GSI为地质强度因子，不同煤体结构GSI取值见文 献［12］；Ri为钻孔冲孔出煤后直径，mm； rd σ为弹 塑性交界面处的径向应力，MPa； ci σ为完整岩块的 单轴抗压强度，MPa； 1 σ为破裂发生时的最大有效 应力，MPa； 3 σ为破裂发生时的最小有效应力，MPa； D为岩体扰动系数。 2 瓦斯抽采孔水力作业机 针对以往水力冲孔装备弊端，河南理工大学与河 南宇建矿业技术有限公司联合研制了“瓦斯抽采孔水 力作业机”（图4）。 其主要特点是采用外径16 mm的连 续不锈钢管代替普通钻杆， 极大程度增加环空面积， 在减小堵孔几率的同时免去现场不断接（卸）钻杆的 工序，提高了冲孔效率，降低了劳动强度；50 MPa 压力和200 L/min的排量的柱塞泵，完全满足冲孔 需要；通过监控装置实现远程操作；研制的专门防 喷装置确保冲孔期间瓦斯不超限；根据不同煤体结 构设计的喷头显著提高了单孔出煤量。 3 现场试验及效果分析 郑煤集团大平煤矿是典型的“三软”单一煤层。 以往采用的钻杆静压水进行水力冲孔，存在效率 低、效果差弊端；水力压裂也未能取得效果。主要 图 4 瓦斯抽采孔水力作业机结构示意图 Fig.4 Structural diagram of hydraulic rig for gas drainage borehole 问题是钻杆与孔壁环空小，容易发生埋管；水力 冲孔时容易诱发瓦斯喷孔，就地操作安全性差；静 压水压力小，出煤卸压范围有限；冲孔效率低，一 个班一般只能冲一个孔。顶底板及煤层为力学强度 极低的岩层，理论上无法实现水力压裂增透。 试验地点在21141底板抽放巷进行。巷道标高 为-178～-184 m，距煤层18 m，地质构造简单，断 裂构造不发育。煤层倾角平均14，倾向95，厚度 平均8.0 m，瓦斯含量10.98 ～13.50 m3/t，瓦斯压力 0.63 ～1.23 MPa。 3.1 作业机冲孔工艺 此次现场试验针对两类钻孔未封孔的裸孔和 已经下抽采管封孔并联抽的钻孔。对于裸孔，采用 高压水、旋转喷头进行冲孔；对于老孔采用静压水 冲孔，部分采用高压水冲孔，为保护抽采管，未采 用旋转喷头。试验结果发现未进行抽采的、新施工 的裸孔冲出煤量大、冲孔期间涌出大量瓦斯；老孔 因全程下筛管，出煤量非常少，但增透、增产效果 显著；无论是静压水还是高压水冲孔都可保证抽采 管完好无损。冲孔结束的原则是返水变清。 3.2 水力冲孔效果及分析 3.2.1 裸孔水力冲孔 首批设计4个孔并进行裸孔水力冲孔试验，有 效冲孔时间57～358 min，平均188 min，单孔出煤 3～13 t，平均单孔出煤7.75 t。根据钻孔出煤量，计 算水力冲孔后卸压半径（表1，GSI30）。 表 1 水力作业机与传统冲孔工艺效果对比 Table 1 Comparison of ing effect of hydraulic rig for gas drainage borehole and traditional process 平均单孔出煤量 /t 卸压半径 /m 平均冲孔时间 /h 水力作业机7.75 2.86 3 传统冲孔工艺4.23 1.44 5 普通钻孔 0.36 从表1可以看出， 相比传统静压水普通钻杆冲 ChaoXing 第1期 冯文军等 “三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验 103 孔工艺，采用水力作业机冲孔时，平均单孔出煤提 高83％，钻孔卸压半径提高99％，水力冲孔时间缩 短40％。 抽采效果如图5所示，冲孔完成一个月内，采用 传统冲孔工艺平均单孔纯流量为0.004～0.014 m/min， 采用水力作业机单孔平均纯流量0.032～0.238 m/min， 平均单孔抽采纯量提高了7.1倍。 图 5 水力作业机与传统冲孔工艺抽采数据对比 Fig.5 Comparison of extraction data of hydraulic rig for gas drainage borehole and traditional process 3.2.2 老孔修复增透 选取抽采效率较低的14个钻孔进行老孔修复 试验，其中采用高压水（35MPa）修复抽采孔2个，修 复时分别出煤25kg和50 kg； 采用井下静压水（4 MPa） 修复抽采孔6个，修复时冲出少量煤粉。 图 6 老孔修复前后抽采数据对比 Fig.6 Comparison of extraction data of old drainage borehole before and after restoration 从图6可以看出，老孔修复前平均单孔抽采纯 流量为0.017 m/min，采用静压水、高压水修复钻 孔抽采纯流量分别为0.02 m/min和0.025 m/min， 提高了17.8％和46.9％。值得注意的是，高压水修 复孔临近的5个抽采孔修复后平均单孔抽采纯流量 为0.027 m/min，相比修复前提高了56.2％；14个 试验孔修复后，平均单孔抽采纯流量为0.025 m/min， 相比修复前提高了45.7％。 从试验中可以看出，老孔修复不仅可以达到冲 刷煤粉，疏通钻孔的目的，而且高压水射流可以沟 通临近抽采孔，实现孔间干扰，同时在水力驱替作 用下，促进瓦斯向周边钻孔运移。 4 结 论 a. 煤体结构-应力-渗透率耦合实验和理论分 析充分说明软煤的水力冲孔卸压增透是可行的。 b. 研制的作业机不仅能够实现裸孔的水力冲 孔增透，更能够实现不破坏抽采管前提下的老孔修 复，不需要再补打新钻孔即可实现高效抽采、快速 达标。裸孔水力冲孔相比原有冲孔工艺出煤量提高 了83％，试验一个月内抽采纯流量提高了7.1倍； 老孔修复后抽采纯流量相比修复前提高了45.7％。 c. 瓦斯抽采孔水力作业机是一种煤矿瓦斯治 理的新装备，其高压、大排量、连续、远程操控等 功能，使得水力冲孔效率显著提升，实现了水力冲 孔、割缝、水力喷射压裂装备一体化。其最大的优 势在于连续钢管的直径仅16 mm， 可实现老孔修复， 避免补打钻孔。 参考文献 ［1］ 赵保太，林柏泉．“三软”不稳定低透气性煤层开采瓦斯涌出 及防治技术［M］．徐州中国矿业大学出版社，2007. ［2］ 刘明举，孔留安，郝富昌，等．水力冲孔在严重突出煤层中 的应用［J］．煤炭学报，2005，30（4）451-454． ［3］ 刘彦伟，任培良，夏仕柏，等．水力冲孔措施的卸压增透效 果考察分析［J］．河南理工大学学报，2009，28（6）695-699． ［4］ 王新新，石必明，穆朝民．水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形 成机理研究［J］．煤炭学报，2012，37（3）467-471． ［5］ 段康廉，冯增朝，赵阳升，等．低渗透煤层钻孔与水力割缝 瓦斯排放的实验研究［J］．煤炭学报，2002，27（1）50-53． ［6］ 李晓红，卢义玉，赵瑜，等．高压脉冲水射流提高松软煤层 透气性的研究［J］. 煤炭学报，2008，33（12）1386-1390． ［7］ 汤友谊，苏现波．低渗透性储层煤层气地面开发方案的探 讨［J］．煤炭转化，2001，24（3）20-22． ［8］ 程远平，周德永，俞启香，等．保护层卸压瓦斯抽采及涌出 规律研究［J］．采矿与安全工程学报，2006，23（1）12-18． ［9］ 涂敏，袁亮，缪协兴，等．保护层卸压开采煤层变形与增透 效应研究［J］．煤炭科学技术，2013，41（1）40-43． ［10］ HOEK E，WOOD D，SHAH S. 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