含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術研究

謝文強 陳 珂 李 煥

（河南神火集團有限公司薛湖煤礦，河南省永城市，476600）

含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術研究

謝文強 陳 珂 李 煥

（河南神火集團有限公司薛湖煤礦，河南省永城市，476600）

介紹了含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術，利用高壓水促使鉆孔周邊煤體產生致裂和切割作用，起到壓碎破壞煤體、提高回采工作面回采率及掘進工作面掘進速度的效果，達到了消突的目的，改變了以往注水軟化技術穩(wěn)流、低壓、長孔的特點。

煤與瓦斯突出 煤層注水 防突機理 地應力 瓦斯解吸速度 深孔水力致裂

含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術作為一種防治煤與瓦斯突出的新技術，其原理不在于水分對瓦斯的封堵作用，而在于降低了硬煤分層的強度，使采掘工作面前方出現(xiàn)一條狹長的卸壓帶和破裂帶，使軟分層內賦存的瓦斯在暴露前提前釋放出來，從而使煤體力學性質發(fā)生改變，集中應力帶前移，使采掘工作面的安全屏障加大；同時使煤體瓦斯的解吸速度明顯加快。經驗表明，注水后只需將抽放鉆孔布置到該卸壓帶和破裂帶內，不但可以快速抽出煤體內瓦斯，起到防突的作用，而且還能為巷道的快速掘進及工作面的安全快速回采節(jié)約大量的時間。

為了深入研究該技術的防突機理，現(xiàn)以神火集團薛湖煤礦二2煤為例，以地應力分布情況、瓦斯解吸速度快慢及鉆屑瓦斯解吸指標值的大小為研究指標，對其防突效果做了現(xiàn)場考察，并利用測試數(shù)據(jù)對含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術的防突機理進行了理論分析。

1 水力致裂增透與淺孔抽采技術的主要設備及其優(yōu)、缺點

1.1 水力致裂增透與淺孔抽采技術的主要設備

深孔水力致裂增透與淺孔抽采技術所需的設備較簡單，主要有：

（1）BRW15－315高壓注水泵，額定注水功率75 k W，額定注水流量125 l/min，額定注水壓力31.5 MPa，注水用高壓膠管外徑32 mm。

（2）自主研發(fā)的注抽器，見圖1。

圖1 注抽器

1.2 水力致裂增透與淺孔抽采技術的優(yōu)、缺點

（1）可在較短時間內提高煤巷掘進工作面的掘進速度、回采工作面的生產能力及其回采率。在這方面煤層注水軟化與抽注一體化煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術相比，雖煤層注水軟化也能起到提高掘進工作面掘進速度、回采工作面生產能力及其回采率的目的，但其所需時間較長，通常需l～2個月。從當前礦井接替相對緊張的實際來看，較難滿足注水軟化所需要的時間。而抽注一體化煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術僅需1～2 h即可達到目的?？梢?，該技術在提高工作面掘進速度、生產能力及回采率等方面效果顯著。

（2）可增加有效的工作時間。在實際工作中，直接施工措施孔抽放需要較長的打孔時間，相對減少了工作面正常掘進和生產的時間；而深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術需施工的注水鉆孔數(shù)量較少，在煤體經過高壓注水受力破裂后再施工措施孔便可節(jié)約大量的時間，相對增加了工作面正常掘進與生產的時間，不僅提高了經濟效益和工作效率，而且杜絕了打孔期間噴孔和吸鉆現(xiàn)象。

（3）可直接降低原煤產出的成本。該技術方案與以往煤層注水軟化技術相比，節(jié)約了采掘工作面煤體的注水量；與深孔松動爆破技術相比，減少了雷管和火藥的消耗量，達到了少投入、多產出的目的，直接減少了原煤產出成本。

（4）可明顯降低煤體的瓦斯含量。實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術時，隨著大量高壓水的注入，導致煤體內部原有結構發(fā)生改變，即增加了煤層內部自由面的數(shù)量。而煤層中賦存的瓦斯一部分被水占據(jù)了裂隙空間而提前驅趕出來；另一部分由于氣體易擴散的性質，瓦斯沿著自由面裂隙擴散到回采工作面風、機兩巷和采掘空間內被風流吹散稀釋，減少了割煤時的瓦斯涌出量和采空區(qū)內瓦斯的積聚，避免了工作面瓦斯事故的發(fā)生。

（5）可改善一線職工的作業(yè)環(huán)境。在高度機械化的現(xiàn)代化礦井中，工作面開掘與回采期間對一線職工傷害最大的是生產過程中的礦塵。采用深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術可有效增加煤層的含水量，減少了割煤過程中礦塵的產生量，減輕了一線職工的職業(yè)危害。

薛湖礦自實施抽注一體防突措施以來，瓦斯超限事故得到了很好的控制，為礦井的安全高效生產創(chuàng)造了條件。注水孔布置見圖2，煤巷掘進工作面深孔注水及淺孔抽放鉆孔布置示意圖（孔深65 m左右）如圖2（a），回采工作面采用淺孔注水抽放鉆孔布置示意圖（孔深25 m左右）如圖2（b），均采用圖1所示的注抽器封孔，注水壓強在12～18 MPa之間，封孔器長0.8～1 m，掘進工作面封孔深度要求不低于20 m，回采工作面封孔深度在8～10 m之間。

圖2 注水孔布置示意圖

2 深孔水力致裂增透與淺孔抽采技術效果考察

2.1 地應力分布情況

在礦井煤與瓦斯突出預防領域內，鉆屑量Smax是效檢和預測突出危險性的重要指標之一，其綜合反映了采掘工作面前方瓦斯壓力和地應力的分布情況。為歸納采掘工作面鉆屑量的變化規(guī)律，在工作面內布置2個?42 mm、深7m左右、間距3 m的順煤層鉆孔。在鉆進期間，每隔1 m測一次鉆屑量并做好記錄；注水結束后，在2個注水鉆孔中間重新布置1個測試鉆孔，每隔1 m同樣測一次鉆屑量并做好記錄。經現(xiàn)場實測，得出采掘工作面應力分布情況，見圖3?；夭擅娌捎妙愃频姆椒?，現(xiàn)場觀測結果見圖4。

從圖3和圖4中不難看出，現(xiàn)場實測的鉆屑量分布規(guī)律與采場支承壓力的分布規(guī)律趨勢基本一致。可見，鉆屑量可直接反映出采掘工作面前方地應力的分布規(guī)律。實驗表明，工作面煤體高壓注水后集中應力帶明顯后移，使得工作面前方卸壓區(qū)域增大，有利于煤體的消突。從圖3可知，采掘工作面高壓注水前，鉆屑量最大值出現(xiàn)在工作面前方2 m左右，注水后，其最大值出現(xiàn)在3 m附近。可見經過高壓注水，采掘工作面卸壓區(qū)域由2 m增加到3 m，即應力集中區(qū)后移了1 m，使工作面安全屏障范圍增加了50%。從圖4可知，回采工作面注水前，鉆屑量最大值出現(xiàn)在工作面前方7.5 m左右，而注水后其最大值出現(xiàn)在10.5 m附近，可見經過高壓注水，回采工作面卸壓區(qū)域由7.5 m增加到10.5 m，即應力集中區(qū)帶后移了3 m，使回采工作面安全屏障范圍增加了40%。

實驗表明，薛湖煤礦二2煤原始煤的抗壓極限強度在10.2 MPa左右，與注水壓力處在一個數(shù)量級內，因此在12～18 MPa的注水壓力范圍內，可將煤體致裂，使其塑性增加。薛湖礦二2煤現(xiàn)場測試結果顯示，高壓注水后，煤體的抗壓極限強度略小于1.02 MPa。可見，注水后的煤體抗壓極限強度遠遠小于原始煤體的抗壓強度。由于煤體的塑性增加，煤體在采場應力的耦合作用下，應力支撐點向煤體深部轉移，使得煤體卸壓區(qū)域增大，因此，高壓注水后的煤體抵抗煤與瓦斯突出的強度增加。

2.2 瓦斯解吸速度

為了進一步研究實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術后對煤體解吸的抑制效果，本文采用現(xiàn)場測試瓦斯含量的方法，即測試注水前后煤體的瓦斯解吸速度。在井下打鉆取樣測定煤體瓦斯含量的過程中，可推出：

式中：v——煤體自暴露起至t0＋t時間范圍內瓦斯的累計解吸量，ml；

k——與瓦斯解吸速度相關的系數(shù)，ml/min0.5；

t——瓦斯解吸的測定時間，min；

t0——煤體在解吸測定前的暴露時間，min。

式中：t1——取樣的時間（取起鉆時間的二分之一），min；

t2——瓦斯解吸量測定前煤體的暴露時間，min。

由于取煤樣過程中難免有瓦斯遺失，可見，在現(xiàn)場解吸測試時，測出的瓦斯量只是煤體總解吸瓦斯量的一部分，由公式（1）不難得出逸散的瓦斯量是：

由公式（1）和公式（3）可知，現(xiàn)場實測瓦斯解吸量是：

因公式（4）是線性方程，可利用最小二乘法解出k和v1值，在確定瓦斯遺失量時，以為橫標，以實際瓦斯解吸量v2為縱標，v1是直線在縱坐標上截距的絕對值，k是直線斜率。以薛湖礦2303風巷掘進工作面和2105綜采工作面為例，對比二2煤層實施抽注一體防突技術前后各地點瓦斯解吸速度的變化，見圖5。

現(xiàn)場瓦斯解吸速度測定后，將所取煤樣在密封狀態(tài)送至實驗室，進行殘存瓦斯量測試。即可得圖5中所取各地點煤樣的瓦斯含量，見表1。

由圖5可知，薛湖礦二2煤層注水前瓦斯解吸速度在142.36～166.12 ml/min0.5之間，注水后則在50.12～518.22 ml/min0.5之間，除7＃煤樣外，注水后煤體瓦斯解吸速度都明顯降低。通常實驗室測得的k值是所測煤樣罐中總的瓦斯解吸速度，而每次所裝煤樣很難做到完全相等，因此，只有將其換算為單位質量上煤的瓦斯解吸速度方可科學對比。由表1知，單位質量煤樣的瓦斯解吸速度在0.695～0.768 ml/（g·min0.5）之間，平均0.7315 ml/（g·min0.5），注水后煤樣瓦斯解析速度在0.376～0.525 ml/（g·min0.5）之間，除7＃煤樣，平均值是0.4508 ml/（g·min0.5），瓦斯解吸速度明顯降低，平均值下降了38.4%。而高壓注水后，煤層深部解吸速度可達2.442 ml/（g·min0.5），與注水前相比，不但沒降，反而有大幅度增大趨勢。由表1實測數(shù)據(jù)可繪出瓦斯解吸速度與瓦斯賦存含量關系的散點圖，見圖6?？梢?，瓦斯解吸速度與瓦斯賦存含量無顯著的線性關系，證明煤體的瓦斯賦存含量對瓦斯解吸速度影響不明顯。

圖5 注水前后瓦斯解吸速度測定結果

試驗表明，高壓注水后，造成淺部煤體瓦斯解吸速度降低，深部煤體瓦斯解吸速度加快的原因與水分子對煤體瓦斯的吸附能力有直接關系。在水的吸附作用下煤體瓦斯變得難以解吸。而在壓力水驅趕瓦斯的情況下，煤體深部瓦斯壓力會相應增大。因此，高壓注水時要盡可能的采取深孔注水，以增加水的運移范圍，加大采掘工作面的安全屏障。

實踐表明，發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件是煤體大量瓦斯瞬間快速解吸釋放。因此，只需控制工作面煤體瓦斯快速解吸，即可起到防突的目的。從現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)不難得知，高壓注水后煤體的瓦斯解吸速度下降了38.4%，有利于煤與瓦斯突出的防治。

表1 薛湖礦注抽前后煤體瓦斯含量匯總表

圖6 煤體瓦斯解析速度與瓦斯含量散點圖

2.3 煤層突出預測指標值及效檢值分布情況

薛湖礦以鉆屑量Smax和鉆屑瓦斯解吸指標K1值作為突出危險性預測和效檢指標值，同時，輔助監(jiān)測煤體的堅固性系數(shù)、煤的破壞類型及軟分層厚度情況。

圖7 采掘工作面注水前后K1值變化情況

依據(jù)2011年12月薛湖礦2303風巷掘進工作面和2105綜采工作面采用高壓注水作為局部防突措施的實測資料，可繪出采掘工作面注水前后K1值變化情況，見圖7，從圖7中曲線可知，注水后K1值比注水前有明顯下降。因K1值代表的是所取鉆屑第1 min內的瓦斯解吸量，也就是說高壓注水以后使得煤體瓦斯的解吸速度下降，有利于礦井煤與瓦斯突出防治工作。

3 結論

對薛湖礦采掘工作面實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術后，分別對各采掘區(qū)域地應力分布情況、瓦斯解吸速度快慢以及鉆屑瓦斯解吸指標K1值進行了現(xiàn)場實測考察，驗證了煤層高壓注水對煤與瓦斯突出的3個主要作用。

（1）采掘工作面實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術后，通過高壓水對鉆孔周圍煤層產生切割、致裂作用，使工作面應力峰值后移，進而工作面前方卸壓帶長度加大，達到驅趕煤層游離瓦斯，進行淺孔快速抽放的目的，從而加大了工作面的安全屏障。

（2）采掘工作面實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突過程中，隨著水分進入致裂煤體孔隙后，不但可軟化和滲潤煤體，而且可以融解煤生成過程中的膠解物，從而降低煤層的脆性。

（3）采掘工作面實施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術后，注入煤體中的水分不僅起到驅趕裂隙中瓦斯的作用，也在一定程度上抑制了煤體瓦斯的解吸速度，避免了大量瓦斯的快速解吸，起到了消突的作用。

［1］ 曲芳，張龍等.鉆屑指標變化規(guī)律及其在突出預測中的應用［J］.中國煤炭，2011（10）

［2］ 郗兵印，張福喜.綜采面淺孔煤壁注水防突機理與有效范圍［J］.煤礦安全，1988（4）

［3］ 肖知國，王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機理的研究現(xiàn)狀與進展［J］.中國安全科學學報，2009（10）

［4］ 王青松，金龍哲，孫金華.煤層注水過程分析和煤體潤濕機理研究［J］.安全與環(huán)境學報，2004（1）

［5］ 蔣承林.煤層注水的防突機理分析［J］.湘潭工學院學報，1999（3）

［6］ 王兆豐，李志強.水力擠出措施消突機理研究［J］.煤礦安全，2004（12）

［7］ 劉明舉，潘輝等.煤巷水力擠出防突措施的研究與應用［J］.煤炭學報，2007（2）

［8］ 瞿濤寶.論煤層注水處理瓦斯的效果［J］.煤礦安全，1994（5）

［9］ 魏閏營，張書軍等.突出煤層掘進防突技術研究［J］.中國安全科學學報，2005（6）

Research on techniques of hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes and outburst removal via gas drainage in shallow boreholes for gas－bearing coal seams

Xie Wenqiang，Chen Ke，Li Huan
（Xuehu Coal Mine，Henan Shenhuo Group Co.，Ltd.，Yongcheng，Henan 476600，China）

The techniques of hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes and outburst removal via gas drainage were introduced.The coal mass around the boreholes was cracked and cut by the high pressure water，which could crush and break the coal mass，improve the mining rate and driving speed at the working face.Finally，the purpose of outburst removal was achieved and the previous characteristics as steady flow，low pressure and long borehole of the water infusion softening technology were changed.

coal and gas outburst，water infusion in coal seam，outburst protection mechanism，ground stress，velocity of gas desorption，hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes

TD713.33

A

謝文強（1968－），男，河南淮陽人，畢業(yè)于河南理工大學采礦專業(yè)，現(xiàn)任神火集團薛湖煤礦總工程師，主要從事礦井開采與瓦斯防治工作。

（責任編輯 張艷華）