穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯水力增透關(guān)鍵技術(shù)研究

李普

(鄭州煤炭工業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司通風(fēng)管理部，河南鄭州450042)

穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽煤體瓦斯是原始突出煤層煤巷掘進(jìn)的主要防突措施，這些措施的應(yīng)用起到了一定的防突和綜合治理瓦斯效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于我國(guó)高瓦斯突出煤層透氣性低，原始煤層預(yù)抽瓦斯抽采半徑小，需采用密集鉆孔強(qiáng)化抽采才能達(dá)到防治煤與瓦斯突出規(guī)定的要求［1］。煤層的透氣性是影響鉆孔抽采瓦斯效果的主要因素之一，對(duì)于低透氣性的高瓦斯煤層，采取切實(shí)有效的技術(shù)手段提高煤層的透氣性是提高煤層瓦斯預(yù)抽效果的最佳途徑。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)層內(nèi)增大煤體透氣性進(jìn)行了大量的研究，如深孔預(yù)裂控制爆破［2］、水力割縫［3］、水力沖孔［4］、水力壓裂［5］。

目前被各礦區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的卸壓增透措施有水力沖孔技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，這兩項(xiàng)措施在不同煤層均取得較好的應(yīng)用效果，通過(guò)實(shí)施水力沖孔和水力壓裂措施，引起鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力降低，卸壓增透，強(qiáng)化抽放效果。不同的地質(zhì)條件下，水力沖孔和水力壓裂工藝參數(shù)及效果不一樣，本文針對(duì)振興二礦煤層瓦斯地質(zhì)條件，結(jié)合2種措施的優(yōu)點(diǎn)，使2種措施形成互補(bǔ)，提出采用水力沖孔+水力壓裂穿層鉆孔增透措施，并有針對(duì)性地進(jìn)行水力沖孔與水力沖孔+水力壓裂2種措施對(duì)比試驗(yàn)研究，并分析2種措施增透預(yù)抽煤層瓦斯效果。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

11031工作面位于11采區(qū)南翼，開(kāi)采二1煤層，標(biāo)高為－50～－82m。煤層厚度2.3～9.0m，平均3.6m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角10～14°，平均12°，工作面走向長(zhǎng)615m，傾斜寬91～104m，實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力1.26MPa，煤層透氣性系數(shù)為6.7×10－3(m2/MPa2·d)，煤層瓦斯含量9.4m3/t。11031下副巷底抽巷全長(zhǎng)265m，與11031下副巷平距20m，巷道底板標(biāo)高－87.7m，巷道距二1煤層底板平均法距12m。

2 試驗(yàn)區(qū)域劃分

根據(jù)11031底抽巷及上覆11031下副巷煤層瓦斯賦存特點(diǎn)，將11031底抽巷劃分為3個(gè)試驗(yàn)考察區(qū):非增透區(qū)、水力沖孔增透區(qū)、水力沖孔+水力壓裂增透區(qū) (圖1)，對(duì)比考察實(shí)施水力增透措施對(duì)瓦斯抽采的影響規(guī)律。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域劃分

3 試驗(yàn)效果考察

3.1 非增透區(qū)

設(shè)計(jì)8個(gè)鉆孔，終孔間距5m，采用常規(guī)的穿層鉆孔施工、封孔工藝。2011年12月19日8點(diǎn)班開(kāi)始聯(lián)網(wǎng)抽放，截止到2012年1月7日8點(diǎn)班，非增透區(qū)單孔抽放瓦斯?jié)舛茸罡?6.2%，平均2.03%;平均負(fù)壓68.5kPa。2號(hào)孔瓦斯抽采濃度變化曲線如圖2所示。

2 非增透區(qū)2號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

從圖2可以看出，非增透區(qū)單孔抽采濃度較低且衰減快。

3.2 水力沖孔增透區(qū)

設(shè)計(jì)7組共56個(gè)鉆孔，終孔間距10m。采用水力沖孔方式增透，水力沖孔供水水壓3～4MPa。對(duì)大傾角鉆孔采用低水壓、大流量方式?jīng)_孔，控制鉆孔單孔泄煤量;對(duì)平孔及小角度鉆孔 (＜30°)采用高水壓、小流量方式?jīng)_孔或者延長(zhǎng)沖孔時(shí)間，提高單孔泄煤量。封孔管使用管徑50mmPVC雙抗管，伸至煤層中部，進(jìn)入煤層部分為花管，采用樹脂材料、膨脹水泥聯(lián)合封孔方式，進(jìn)行多次注漿，封孔至煤巖交界處。

水力沖孔增透區(qū)穿層鉆孔采用水力沖孔措施沖出了大量煤體，從2011年11月至12月統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，單孔沖出煤量3～15t，平均沖出煤量為10t，平均每米鉆孔沖出煤量1.3t，總體效果明顯。按照煤的密度1.4m3/t，鉆孔直徑為113mm，煤孔長(zhǎng)度為6m計(jì)算，相當(dāng)于水力沖孔措施把孔徑為113mm的鉆孔平均擴(kuò)至1230mm。

水力沖孔增透區(qū)各組鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況見(jiàn)表1，水力沖孔鉆孔抽采濃度最大62.8%，平均10.49%，選取第1組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線如圖3所示。

表1 水力沖孔增透區(qū)各組鉆孔抽采參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)

3 水力沖孔增透區(qū)第1組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

設(shè)計(jì)3組18個(gè)鉆孔，終孔間距10m。即先采用水力沖孔，形成一定的卸壓空間，再封孔壓裂，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的裂隙擴(kuò)展和貫通。水力壓裂遵循“先上后下、先單后組”原則壓穿鉆孔間煤柱，穿透周邊鉆孔。

水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)各組鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況見(jiàn)表2，單孔瓦斯?jié)舛茸罡?6.4%，平均15.25%。第7組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線見(jiàn)圖4。

表2 水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)各組鉆孔抽采參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)第7組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

4 效果分析

4.1 殘余瓦斯含量

2012年1月12至2月29日，在11031試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)取5個(gè)煤樣，分析煤層殘余瓦斯含量 (圖5)。

圖5 煤層殘余瓦斯含量與原始值對(duì)比

從圖5可以明顯看出，經(jīng)過(guò)施工穿層消突鉆孔之后，控制區(qū)域內(nèi)瓦斯含量大大降低，5個(gè)煤樣殘余瓦斯含量均低于振興二礦突出臨界值8m3/t，其中最低僅為4.47m3/t。截止到2012年3月16日，試驗(yàn)區(qū)域累計(jì)抽出瓦斯量2.638×105m3，通過(guò)計(jì)算得到瓦斯抽采率達(dá)到41.7%，區(qū)域瓦斯治理效果明顯。

4.2 煤層透氣性系數(shù)

與非增透試驗(yàn)區(qū)穿層鉆孔相比，采取水力沖孔、水力沖孔+水力壓裂增透措施后，煤層透氣性系數(shù)明顯增加，采取水力沖孔增透措施后煤層透氣性比非增透區(qū)增加38倍;采取水力沖孔+水力壓裂增透措施后煤層透氣性系數(shù)比非增透區(qū)增加84倍。

4.3 瓦斯抽采影響半徑

采用壓降法分別考察了水力沖孔增透區(qū)和水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)鉆孔抽采影響半徑，綜合分析觀測(cè)的數(shù)據(jù)，得到水力沖孔增透區(qū)鉆孔抽采影響半徑達(dá)到10m，水力沖孔+水力壓裂增透區(qū)鉆孔抽采影響半徑可以達(dá)到15m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始煤體鉆孔抽采影響半徑5m。

4.4 抽放濃度

系統(tǒng)初始抽放瓦斯?jié)舛茸罡?3.8%，最低9.2%，平均13.1%，抽放純量最高8.52m3/min，最低 2.06m3/min，平均 3.46m3/min，平均負(fù)壓68.8kPa。試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采率達(dá)到41.7%。

非增透區(qū)單孔抽放瓦斯?jié)舛茸罡?2.4%，平均2.03%，采取水力沖孔增透措施后，單孔抽放瓦斯?jié)舛茸罡?2.8%，平均10.49%，同比非增透區(qū)平均增加5.17倍;采取水力壓裂增透措施后，單孔抽放瓦斯?jié)舛茸罡?6.4%，平均15.25%，同比非增透區(qū)平均增加7.5倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)考察期間共沖孔 74個(gè)，沖出煤量423.3t，平均每孔5.72t，經(jīng)計(jì)算累計(jì)沖孔體積為488.3m3，平均每孔沖孔體積6.5m3，消除了鉆孔附近的應(yīng)力，使煤層得到了卸壓。

(2)由考察分析可知，采取水力增透措施后瓦斯抽采體積變化明顯，未采取水力增透措施的抽采體積分?jǐn)?shù)為0.32%～22.4%，平均為2.03%;采取水力沖孔增透措施后，抽采體積分?jǐn)?shù)0.8%～62.8%，平均為10.49%;采取水力沖孔+水力壓裂增透措施后，抽采體積分?jǐn)?shù)為 3.0% ～66.4%，平均為15.25%。體積分?jǐn)?shù)增加最多的由未采取增透措施的0.32%增至采取增透措施后的66.4%，增加了207.5倍，平均抽采體積分?jǐn)?shù)由未采取增透措施的2.03%增至采取增透措施后的12.8%，增加了6.4倍。

(3)通過(guò)考察分析可知，水力沖孔防突措施的卸壓增透效果明顯，能夠降低煤層瓦斯壓力，使煤體的應(yīng)力降低，透氣性增加，能夠消除工作面的突出危險(xiǎn)性。

［1］林柏泉，張建國(guó).礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

［2］劉 健，劉澤功，石必明.低透氣性突出煤層巷道快速掘進(jìn)的試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(8):827－831.

［3］段康康，劉澤功，趙陽(yáng)升，等.低透氣煤層鉆孔與水力割縫瓦斯排放的實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，27(1).

［4］劉明舉，任培良，劉彥偉.水力沖孔防突措施的破煤理論分析［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(2):142－145.

［5］張伊輝.穿層鉆孔水力增透技術(shù)研究［J］.中州煤炭，2009 (12):15－17.

［6］任培良.水力沖孔卸壓增透技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.焦作:河南理工大學(xué).

［7］劉國(guó)俊.淮南礦區(qū)水力沖孔技術(shù)參數(shù)優(yōu)化及效果考察研究［D］.焦作:河南理工大學(xué).

［8］單智勇.煤巷掘進(jìn)煤與瓦斯突出事故抑制技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京).