A 組煤層先壓后沖綜合增透技術

程健

摘要：本文針對礦井 A組煤層開展先壓后沖綜合增透技術實踐應用，通過常規(guī)水力壓裂打通煤層裂隙，同時對煤層進行破碎， 壓裂完成后，再選擇部分抽采鉆孔，利用高壓注水泵進行高壓沖孔，并對增透效果進行考察，根據現場實測效果，優(yōu)化瓦斯 治理增透方案。

關鍵詞：瓦斯治理；先壓后沖綜合增透；提高煤層透氣性；縮短預抽消突時間

中圖分類號：TD713.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）06-0103-01

1 引言

1.1 水力壓裂機理

水力壓裂是以水作為動力，使煤體裂隙暢通的一種措施。水力

壓裂增透技術是通過鉆孔向煤層壓入高壓水，當水壓入的速度遠超 過煤層的自然吸水能力時，由于流動阻力增加，進入煤層高壓水的 壓力逐漸上升，當高壓水壓裂超過煤層上方的巖壓時，煤層內原來 的閉合裂隙就會被壓開形成新的瓦斯流通網絡，煤層滲透性增加。 當壓入的液體被排出時，壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動創(chuàng)造了良 好的條件。

1.2 水力沖孔機理

水力沖孔過程就是煤體破壞剝落，應力狀態(tài)改變，瓦斯大量釋

放的過程。水力沖孔的實質就是：首先利用高壓水射流破碎煤體在 一定時間內沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤體原 應力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應 力狀態(tài)重新分布，集中應力帶前移，有效應力降低；其次煤層中新 裂縫的產生和應力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡， 使部分吸附瓦斯轉化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以 排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤 層瓦斯透氣性顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤體，煤體的塑性增 加，脆性減小，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。水力沖孔過程 沖出了大量瓦斯和一定數量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、

排放瓦斯區(qū)域，在這個安全區(qū)域內，破壞了突出發(fā)生的基礎條件，

起到了有效的防治突出效果。

針對潘二煤礦 A 組煤采區(qū) 12223 工作面瓦斯治理工作量大，周 期長的問題，開展先壓后沖綜合增透技術實踐應用，對瓦斯治理效 果、先壓后沖工藝方式、裝備進行研究，對煤礦的安全高效開采意 義重大。同時，對于類似地質條件的工作面瓦斯治理具有借鑒意義。

2 12223 工作面先壓后沖綜合增透技術實踐

2.1 工作面概況

12223 工作面為潘二礦第二個 A 組煤回采工作面，位于西二采

區(qū)二階段，標高：-463m～-571m，設計走向長 1339m，傾向長 204m，

3 煤平均煤厚4.5m，1 煤平均厚3m，1、3 煤層間距1.5m，煤層平均

傾角為 5°～25°。瓦斯含量為 6.5～8.55m3/t ，綜合瓦斯壓力

1.5～1.84MPa，煤層堅固性系數 3 煤 f 值：0.3～0.6，1 煤 f 值：

0.4～0.6，透氣性系數 0.23m2/（MPa2·d）。

2.2 水力壓裂半徑考察

2.2.1 水力壓注考察情況

1#壓裂孔從2014年10月20日早班開始壓注，泵設定壓力30 Mpa，

開泵后約7 分鐘，壓力升至 24Mpa，后保持在20～21Mpa，進水量保 持在 6～7m3/h。確定啟裂壓力為 23Mpa。10 月 20 日 18 時 30 分注 水時，注水約 50m3 后，壓裂孔以西 34.1m 處原掘進期間的一個控層 孔出水，暫時停注；10 月21日 19時 35分，注水達 98m3 后，壓裂 孔以東 54.1m 處原掘進期間的控層孔噴出水煤混合物，暫時停注。 到 10月23 日，累計注水200t 后停注，保水2 天。

2.2.2 沿煤走向測壓考察情況

壓注期間 4 個走向考察孔壓力分別出現峰值，具體為：1#考察

孔（距壓裂孔平距40m）由壓裂前1.61MPa 升至1.97MPa；2#考察孔 （距壓裂孔平距 30m）由壓裂前1.82MPa 升至2.64MPa；3#考察孔（距 壓裂孔平距20m）由壓裂前1.84MPa 升至2.76MPa；4#考察孔（距壓 裂孔平距 35m）由壓裂前 1.09MPa升至1.58MPa。

2.2.3 沿煤傾向影響半徑考察情況

實施水力壓裂后，沿走向布置的壓力孔的壓力值普遍上升，距

1 號壓裂孔平距40m 走向考察孔壓力增加22%。經后續(xù)的觀察，保水 卸壓后，瓦斯壓力孔開始有水（壓裂前四個測壓孔均無水）且壓力 均降到原始值以下；煤層含水量也普遍上升，距壓裂孔平距 40m 的 傾向考察孔 3 煤含水率最大增加 56%，瓦斯含量普遍降低；與距壓 裂孔54.1m 的原掘進控層孔有導通現象。

根據分析，確定我礦 A 組煤水力壓裂啟裂壓力為 23MPa 左右， 最大影響半徑可達 56m。考慮到所布置的傾向考察孔距壓裂孔最大 距離為40m，確定在A 組煤水力壓裂有效影響半徑為40m。

2.3 總體增透方案

水力壓裂按影響半徑 40m 的標準，對工作面掘進條帶和回采區(qū)

域的壓裂孔進行了整體設計，其中掘進條帶壓裂孔 13個，回采工作 面壓裂孔 24個。為進一步增透，掘進條帶每組鉆孔選擇兩個孔進行 水力沖孔。

為進一步比對壓沖增透的效果，我們在 12223 上底抽巷西四段 劃定了三個區(qū)，即原始區(qū)、壓裂區(qū)、和壓沖區(qū)，其中原始區(qū)長112m， 設計了126個鉆孔，壓裂區(qū)長96m，設計了99個鉆孔，壓沖區(qū)長56m， 設計了54 個鉆孔。

2.4 壓裂增透

2.4.1 壓裂孔施工

水力壓裂孔采用一次固孔、二次注漿、三次見煤封孔工藝。 2.4.2 水力壓裂

設備選型為南京六合煤礦機械公司生產的 BZW-200/56 型乳化

泵，額定壓力 56MPa，額定流量 200L/min。除注水泵外，系統由壓 力表、卸壓閥、高壓膠管及相關裝置連接接頭等組成2.5 沖孔增透。

2.5.1 沖孔方案

在壓沖區(qū)，每組鉆孔對應掘進巷道中央及兩側交錯選擇 2 個鉆

孔進行水力沖孔。要求每個單孔從施工到沖孔結束時間為兩個小班， 且沖出煤量不低于5t。

2.5.2 沖孔設備

沖孔設備利用壓裂泵（BZW-200/56 型乳化泵），沖孔時泵壓力

設定為14Mpa。

2.5.3 沖孔工具

特制沖孔鉆頭。

抽 223 能按期投產。上鉆芽，以利于鉆進。在鉆頭體前端制成錐體，

同時鑲上鉆芽，以利于鉆進。在鉆頭側面鉆6 個Φ10mm沖孔眼，平 均布置于鉆體，且與鉆頭軸線成45°角，以此降低射流水量，提高 射流水壓。

2.5.4 沖孔過程

沖孔鉆孔穿煤后，退出鉆桿，將鉆頭更換為特制沖孔鉆頭，配

合φ73mm 肋骨鉆桿，重新下到見煤段開泵沖孔，泵站壓力設定在 14MPa 左右，鉆機保持勻速鉆進，以便排出煤屑。從見煤點開始， 每 2 米一個點分段沖孔直至止煤點，循環(huán)進退鉆桿沖孔，直至沖不 出煤屑為止。沖孔結束后，撤鉆時鉆桿必須保持旋轉，防止堵孔夾 鉆。

3 增透后抽采效果

在原始區(qū)、壓力區(qū)、壓沖區(qū)分別安設抽采計量裝置，測定每個

區(qū)段、單組、單孔抽采濃度、抽采量，比對出消突評價單元在采用 壓裂、壓沖增透措施后提高消突效果的程度。再通過單組、單孔考 察，壓裂區(qū)最高單孔濃度達 94%，最大單孔純量達 0.026m3/min，平 均單孔純量 0.01m3/min；壓沖區(qū)最高單孔濃度達 96%，最大單孔純 量達0.038m3/min，平均單孔純量0.016m3/min。

4 結論

通過數據綜合分析，預抽達標時間按煤巷條帶預抽率35%計算，

原始區(qū)預抽達標需 44 天，壓裂后預抽達標需 30 天，壓沖后預抽達 標需22 天。

通過對比可以明顯看出，采取先壓沖孔增透技術后，與原始區(qū) 比，百孔純量提高了2.1 倍，預抽達標時間縮短了 50%。

我們將在 12223 上底抽巷及疏水巷針對掘進條帶繼續(xù)開展壓沖 增透技術，確保掘進期間不再重復上消突措施，最終達到月進尺200m 以上的目標；在工作面回采區(qū)域針對 1、3 煤進行壓沖增透，進一步 提高回采工作面消突預抽效果。