突出煤層先注后沖防噴孔消突技術(shù)研究*

趙發(fā)軍，郝富昌，劉明舉

(1.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 3. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 焦作 454000)

數(shù)字出版日期： 2017-04-21

0　引言

近年來，越來越多的煤與瓦斯突出煤層采用穿層孔水力沖孔(割縫)來增加煤層透氣性。伴隨水力化措施的應(yīng)用，穿層孔施工和水力化措施期間的瓦斯噴孔成為區(qū)域防突和防瓦斯超限的重點[1-6]。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為保證10 m的安全巖柱并在鉆孔口安設(shè)導(dǎo)噴裝置可有效控制瓦斯噴孔，同時指出提高沖孔壓力和鉆孔孔徑會增加瓦斯噴孔概率；文獻(xiàn)[2]對比了“強(qiáng)水快割”和“細(xì)水慢割”2種水力割縫方式對瓦斯噴孔的影響，確定了水力割縫的合理水壓和進(jìn)鉆速度；文獻(xiàn)[3，4]則重點研制了針對瓦斯噴孔的導(dǎo)噴或防噴裝置；文獻(xiàn)[7]報道了通過改變施工順序可使噴孔強(qiáng)度降低40%。這些研究對瓦斯噴孔的防治有現(xiàn)實意義。

水力沖孔(割縫)等措施利用瓦斯噴孔達(dá)到快速從鉆孔中泄出煤體、釋放瓦斯的效果[8]，但高強(qiáng)度的瓦斯噴孔像煤與瓦斯突出一樣，會損壞鉆具、致人傷亡[3, 9]或?qū)е伦鳂I(yè)區(qū)大面積瓦斯超限，因此需要從根本上防治高強(qiáng)度的瓦斯噴孔。在孔口設(shè)置導(dǎo)噴或防噴裝置雖然可抑制噴孔和防止作業(yè)區(qū)瓦斯超限，但高強(qiáng)度噴孔會摧毀這些裝置、引起次生傷害，同時這些裝置將孔密閉，無法觀察孔內(nèi)情況，也是鉆進(jìn)作業(yè)的隱患。

文獻(xiàn)[6]研究認(rèn)為地應(yīng)力和瓦斯壓力對煤體的破壞、粉碎和拋出，以及瓦斯急劇膨脹和推動煤體導(dǎo)致了瓦斯噴孔的發(fā)生。文獻(xiàn)[10]從經(jīng)典力學(xué)分析的角度，給出了瓦斯煤體發(fā)生位移時的力學(xué)平衡方程。這些研究均考慮瓦斯壓力對煤體做功是瓦斯噴孔發(fā)生的基礎(chǔ)條件，而瓦斯緩慢從煤體中釋放并不對煤體做功。因此，減緩煤體中瓦斯的解吸和滲流速度是防止瓦斯噴孔的有效方法。本文主要研究考查在煤層中注水來減輕瓦斯噴孔和快速消突的技術(shù)。

1　實驗區(qū)概況

新安礦二1煤層為豫西“三軟”煤層，共發(fā)生過13次瓦斯動力現(xiàn)象。14211掘進(jìn)工作面煤層傾角5～11°，煤層厚度平均3 m，煤層瓦斯含量8.50～10.75 m3/t，煤的堅固性系數(shù)0.06～0.45。施工穿層鉆孔和水力沖孔期間經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯噴孔導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷、作業(yè)地點瓦斯超限。

2　水對煤體瓦斯的影響

2.1　煤樣制備

在14211工作面采集煤樣后，篩取1～3 mm粒度煤樣裝入密閉容器中以防氧化；并測定煤樣的堅固性系數(shù)、瓦斯放散初速度和煤質(zhì)工業(yè)分析等基本參數(shù)見表1。

表1　煤樣基本信息

2.2　實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)為自制，實驗系統(tǒng)原理見圖1。系統(tǒng)可分為吸附、控溫、抽真空和解吸4部分。實驗過程為先對煤樣抽真空8 h；然后對煤樣充入純度為99.99%的甲烷氣體并吸附8 h，煤樣吸附平衡后開始瓦斯解吸實驗，實驗過程為恒溫。

圖1　實驗系統(tǒng)Fig.1　Schematic diagram of experimental system

2.3　實驗數(shù)據(jù)

將前期制備的煤樣進(jìn)行干燥或浸泡，分別制備成干燥煤樣(含水0.90%)、原煤樣(含水3.11%)、濕煤樣(含水5.40%)和平衡水煤樣(含水6.25%)。含水率不同煤樣制備過程中，稱重采用瑞士梅特勒Κ104-IC型電子天平(精度0.1 mg)，煤樣干燥采用上海精宏DZF-6210型干燥箱。干燥煤樣制備：將煤樣100 g放入干燥箱中干燥48 h后稱重，以后每間隔4 h稱重一次，直至恒重；平衡水煤樣制備：將煤樣100 g置于含過飽和K2SO4溶液的恒溫箱(上海一恒，DHG-9245A型)中，48 h后稱重，以后每間隔8 h稱重一次，直至恒重；濕煤樣制備：將平衡水煤樣100 g放入干燥箱中干燥6 h后測定水分。在實驗系統(tǒng)溫度(30±1℃)和煤樣吸附平衡壓力(0.5 MPa)條件下，進(jìn)行吸附-解吸實驗，結(jié)果如圖2。實驗表明：隨水分增加瓦斯氣體的吸附量、解吸量、解吸速度和解吸初速度均減小。

圖2　不同含水率煤樣的瓦斯解吸對比Fig.2　Comparison of gas desorption of coal samples with different water content

含水率與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的實驗數(shù)據(jù)見表2，表中Mad為煤樣含水率，%；P為煤樣的吸附壓力，MPa；K1為吸附平衡壓力下測定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，mL·(g·min0.5)-1。

2.4　數(shù)據(jù)分析

在表2中將吸附壓力和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)進(jìn)行線性擬合后，可預(yù)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)為0.5 mL·(g·min0.5)-1時，煤樣含水率從低到高對應(yīng)的吸附壓力為1.57 MPa，1.44 MPa，0.22 MPa和0.074 MPa，根據(jù)該數(shù)據(jù)和表2得到鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)達(dá)0.5 mL·(g·min0.5)-1或瓦斯壓力達(dá)0.74 MPa時(《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的臨界值)，該二項指標(biāo)與煤樣水分之間的關(guān)系見圖3。

表2　吸附壓力與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)對應(yīng)值

圖3　臨界值時的瓦斯參數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.3　Relationship between gas parameters and water content under critical state

圖3表明當(dāng)煤中水分大于原始水分后，臨界值的參數(shù)將快速下降，煤體中的瓦斯需要通過解吸和滲透泄漏。圖2表明隨含水率增加，瓦斯從煤體中解吸的初速度減小。因此煤樣含水率增加后瓦斯解吸的初速度小、解吸總量小且持續(xù)時間長，故不易誘發(fā)瓦斯噴孔。

煤中的水分可分為外在水分、內(nèi)在水分和化合水3種。實驗增加的是外在水分，該部分水分主要附著在煤的顆粒表面、大孔和中孔中(孔直徑大于100 nm)，直徑小于100 nm的過渡孔和微孔中水分子較難進(jìn)入。煤樣干燥后，由于毛細(xì)孔吸附力的作用，內(nèi)在水分不易蒸發(fā)，煤樣失去的也是外在水分。故實驗研究的是外在水分對瓦斯的影響，水分改變了煤的表面超能，煤層注水后外在水分變化最大，水分子占據(jù)了煤表面的位置，煤的表面張力和表面超量下降，未吸附自由能小，瓦斯解吸速度減小、瓦斯噴孔概率小。

3　注水效果現(xiàn)場考察

3.1　鉆孔設(shè)計

14211掘進(jìn)工作面的底板巷共設(shè)計13 個鉆場，每個鉆場設(shè)計20個鉆孔掩護(hù)巷道掘進(jìn)，鉆孔每4個一組，共5組，剖面圖見圖4，各鉆場鉆孔參數(shù)相同。其中2～8#鉆場只進(jìn)行水力沖孔實驗，9～13#鉆場實施先中高壓注水后水力沖孔實驗。

圖4　水力沖孔鉆孔剖面Fig.4　Profile diagram of hydraulic punching hole

中高壓注水孔斜向上穿層(圖5)，中孔于煤層頂板1 m處。注水孔與水平面夾角20.3°，直徑75 mm，采用水泥砂漿封孔，封孔深度大于18 m，注水泵額定壓力為31.5 MPa。

圖5　中高壓注水孔剖面Fig.5　Profile diagram of high-pressure water injection hole

進(jìn)行中高壓注水的9～13#鉆場在施工設(shè)計鉆孔前，先施工中高壓注水孔并對煤層進(jìn)行注水，注水至注水管壓力表示數(shù)下降時終止。注水結(jié)束24 h后，施工設(shè)計鉆孔并進(jìn)行水力沖孔?，F(xiàn)場記錄中高壓注水參數(shù)見表3，表中最大壓力為注水管壓力表記錄壓力，注水后底板巷可見巖石開裂和頂板下沉，實測影響半徑為26 m。

表3　中高壓注水孔施工參數(shù)

3.2　實施和效果

各鉆場水力沖孔的水壓為3～3.5 MPa，沖孔工藝為先將煤層鉆穿，后采用專用鉆頭導(dǎo)引高壓水從煤層中沖泄出煤和瓦斯。表4的成孔指沖孔前施工達(dá)設(shè)計要求的鉆孔，瓦斯噴孔或卡鉆等導(dǎo)致鉆孔未達(dá)設(shè)計要求的未統(tǒng)計。

表4　鉆孔施工情況統(tǒng)計

表5是沖出煤量的對比，表6是沖孔后抽采15 d時殘余瓦斯含量對比。

表5　2種措施沖出煤量對比

表6　殘余瓦斯含量對比

表4、表5和表6表明：①中高壓注水后施工鉆孔的噴孔率下降39%，成孔率提高32%，瓦斯噴孔強(qiáng)度下降。②2-8#鉆場沖泄總煤量為482.6 t，平均每鉆場沖泄68.9 t；9-13#鉆場采用先注后沖技術(shù)后沖泄總煤量為777.5 t，平均每鉆場沖泄155.5 t，先注后沖技術(shù)沖泄煤量提高2.3倍。③采用先注后沖技術(shù)后，沖泄煤量從占控制范圍內(nèi)原煤總儲量的2.2‰～7.4‰提高到8.7‰～14.1‰，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的保護(hù)層膨脹變形量指標(biāo)的臨界值為3‰，數(shù)據(jù)說明中高壓注水結(jié)合水力沖孔可達(dá)到保護(hù)層開采的效果。③抽采15 d后，2-8#鉆場殘余瓦斯含量2.5～6.1 m3/t，平均抽出率為55.3%；9-13#鉆場殘余瓦斯含量1.9～4.7 m3/t，平均抽出率為65.7%，抽出率平均提高10.4%；說明2種技術(shù)均可實現(xiàn)區(qū)域消突，注沖結(jié)合消突效果更好。

新安礦的現(xiàn)場應(yīng)用表明，“先注后沖”與傳統(tǒng)沖孔工藝相比，由于掘進(jìn)速度提高，掘進(jìn)期間的通風(fēng)、排水和人工費相對下降，百米煤巷道的掘進(jìn)綜合費用降低0.3萬元，經(jīng)濟(jì)效果較好。

4　討論

黃旭超等[11]對鉆孔周圍煤體應(yīng)力和失穩(wěn)進(jìn)行分析后認(rèn)為不考慮蠕變時，鉆孔應(yīng)力變化導(dǎo)致煤體具有破壞失穩(wěn)階段，當(dāng)支承應(yīng)力無法向孔深部轉(zhuǎn)移時，在瓦斯壓力作用下，煤壁將失穩(wěn)并被拋出。郝富昌等[12]從流變特性考慮孔徑變化，分析孔的失穩(wěn)破壞和瓦斯排采通道問題。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為煤體失穩(wěn)時的力平衡方程如式1所示。這些研究指出應(yīng)力和瓦斯壓力是噴孔的動力。

(1)

式中：δx + dx-δx為應(yīng)力梯度，MPa；Px+dx-Px為瓦斯壓力梯度，MPa；λ為側(cè)向壓力系數(shù)；Rc為煤體的單向抗壓強(qiáng)度，MPa；δz為垂直應(yīng)力，MPa；N為孔壁的支承力，MPa；C為煤的黏聚力，MPa。

煤層中注水后，孔隙壓力增加，應(yīng)力會導(dǎo)致底板巷頂板下沉或巖石開裂，從而使應(yīng)力轉(zhuǎn)移，注水結(jié)束后水體外瀉，煤體的應(yīng)力集中釋放，注水過程對煤體產(chǎn)生應(yīng)力沖擊，會影響煤體中吸附瓦斯的解吸速度[13]。由于煤層可近似為無限大，煤層解吸的瓦斯可向無限大空間擴(kuò)散，沖擊時瓦斯和應(yīng)力向周邊轉(zhuǎn)移，沖擊結(jié)束后其對瓦斯壓力和煤體應(yīng)力的影響有限，但由于煤含水率增加，游離瓦斯量增加。

煤體中的瓦斯解吸后，主要通過滲流方式排泄[14]。劉震等[15]研究認(rèn)為高壓注水后，煤體內(nèi)產(chǎn)生“液態(tài)水潤濕解吸滲流區(qū)”，由于水的作用，煤樣的滲透率顯著大于干燥煤樣。因此，注水后滲透率提高，解吸的瓦斯更易進(jìn)入鉆孔，會顯著降低瓦斯壓力梯度。式(1)的左邊為瓦斯噴孔的動力，注水后瓦斯壓力梯度降低，噴孔動力減??；式(1)的右邊為瓦斯噴孔的阻力，注水后黏聚力增加，噴孔的阻力增大，故注水后煤體不易失穩(wěn)，從而避免了瓦斯噴孔發(fā)生。

5　結(jié)論

1)煤體水分越高，相同吸附壓力下瓦斯解吸速度和初速度越小，二者呈負(fù)相關(guān)；中高壓注水后，游離瓦斯增加、吸附瓦斯減小，煤滲透率增加，瓦斯流動性增強(qiáng)。注水后的雙重效應(yīng)減輕了瓦斯噴孔強(qiáng)度，提高了鉆孔成孔率。

2)與水力沖孔技術(shù)相比，注沖結(jié)合的防噴孔消突技術(shù)鉆孔成孔率提高32%，適用于瓦斯噴孔嚴(yán)重的軟煤層作業(yè)。該技術(shù)沖出煤量達(dá)8.7‰～14.1‰，抽采15 d后抽采率達(dá)65.7%，沖出煤量提高2.3倍，是一種高效煤層增透技術(shù)。

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