高瓦斯低渗煤层水力造穴增透技术优化研究.docx

? ? 高瓦斯低渗煤层水力造穴增透技术优化研究 ? ? 荆俊杰，于丽雅，延 婧 （1.山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045008；2.山西能源学院，山西 晋中 030600；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054） 随着深部煤炭资源开采，煤层瓦斯含量逐渐增加[1-5]，而煤层透气性降低，极大增加了瓦斯抽采的难度。高效的瓦斯抽采技术成为消除煤与瓦斯突出的关键[6-8]，而煤层增透技术是瓦斯抽采的关键一环。水力化技术是深部高瓦斯煤层卸压增透的关键技术[9]。宋晨鹏等[10]研究了水力压裂技术的裂隙发育规律；侯晓伟等[11]探讨了沁水盆地应力作用下水力压裂裂缝展布规律；张小东等[12]探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态；陶云奇等[13]自主搭建实验平台分析了裂隙的具体形态；门晓溪等[14]通过RFPA软件分析了不同压裂角度对裂隙形态的影响；赵瑜[15]运用PPCZ模型分析了裂尖断裂过程对裂缝扩展的影响；张欣玮等[16]自主研发设计出一种自吸式磨料射流割缝喷嘴；袁波等[17]分析了割缝设备的不同参数对流量的影响规律；李晓红等[18]分析了过渡过程中系统能量特性与耗散规律；王刚等[19]研究了定向水力压裂的割缝间距；邹全乐等[20]研究了割缝预抽后瓦斯吸附特性的变化特征；冯丹等[21]利用自主研发的物理模拟实验装置针对松软煤层水力造穴后的卸压特性进行了研究；王新新等[22]借助软件模拟水力造穴后煤层裂隙发育的过程；郝富昌等[23]从理论着手分析了孔径变化规律；陶云奇等[24]利用自主研发的水力造穴试验装置开展了水力造穴及瓦斯抽采试验研究，并基于抽采情况对增透效果进行了评价。目前为止，关于水力化技术专家学者在实验、模拟、现场等方面取得了一定成果，但是关于造穴效果影响因素尚不明确，具体的造穴参数分析近乎空白。为此，基于前人所做的研究，采用物理相似模拟的方法对煤样水力造穴，从多层面分析造穴参数对造穴效果的影响，并选取潞安集团某矿进行现场效果验证。 1 试验准备 1.1 试验装置 试验装置采用自主研发的水力造穴试验平台,平台由高压水泵站和钻冲一体化钻机2部分组成，试验平台设计如图1。 图1 试验平台设计Fig.1 Experimental platform design 最大水压力为25MPa，钻杆直径为10mm。试验煤样取自山西某矿，煤层煤样普氏系数1.1 ，瓦斯压力0.45 ～0.77MPa。 试验箱体内空尺寸为1000mm×500mm×500 mm，试件箱的尺寸可以更好地模拟煤层不同位置的物理参数，提高试验的准确度。 在试件内部分层均匀布置有36个气体压力传感器，依次编号为1～36，传感器布置如图2。为准确表达传感器的分布位置，采用空间坐标的方式对其进行标记。图中P′为xy平面的传感器位置，P（xp，yp，zp）为传感器布置的空间位置。 图2 传感器布置Fig.2 Sensor layout 1.2 试验方法 为了探究水力造穴现场作业的关键影响因素：出煤量、造穴次数及穴间距对卸压效果的影响，设计了单一变量试验，通过对水力造穴前后的气体压力进行对比分析，进而判断3个因素对煤样卸压效果的影响。 为探究3个因素之间是否存在交互作用，交互作用是否对卸压效果产生较大影响，设计出煤量A、造穴次数B、穴间距C3因素3水平17组试验。选取抽采过程中时间t=100min测试其瓦斯压力，将瓦斯压力输入Design-Expert得到每2个因素间的优化等高线及响应曲面，分析各因素间交互作用对试验结果的影响。 1.3 试验步骤 1）制备试验所需煤样、安设传感器、试验箱体密封，开启数据采集仪。 2）将瓦斯气体注入制备好的煤样，并将瓦斯压力保持在0.8MPa左右。 3）水力造穴试验。调节钻杆位置和高压水泵水压，改变单一变量开始单因素试验，试验完静置测瓦斯含量。 4）开展多因素水力造穴试验，重复步骤2）。 5）试验结束后，停止地应力加载并关闭数据采集系统。 2 造穴试验效果 2.1 单因素试验 为探究出煤量、造穴次数、孔间距对水力造穴的影响，设置多组单因素试验进行考察，单孔出煤量对残余瓦斯含量的影响如图3。 图3 单孔出煤量对残余瓦斯含量的影响Fig.3 Effect of coal output on residual gas content 从图3可以看出，当单孔出煤量为0.3t时，瓦斯含量由原始含量10.8m3/t降低为7.74m3/t。随着出煤量的增加，瓦斯含量逐渐下降且趋势逐渐减缓。瓦斯含量逐渐下降的主要原因是初始状态煤中瓦斯吸附解吸达到动态平衡状态，随着出煤量的增加破坏了这种动态平衡，促进吸附态瓦斯解吸转变为游离态发生自由逸散，导致煤中残余瓦斯含量降低。 设置7组单因素试验，探究单孔造穴次数对水力造穴的影响，