深水平強突出煤層石門揭煤技術(shù)的探討

劉雪莉，游繼軍

1.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230031；

2.淮南礦業(yè)集團，安徽 淮南 232001

預(yù)防煤與瓦斯突出事故是突出礦井開采中需要解決的一項重要難題，在各類突出事故中以石門揭煤發(fā)生突出的概率最高，突出強度也是最大［1］。在石門揭開突出煤層前，必須采取區(qū)域防突措施以消除煤層的突出危險，最常用的區(qū)域防突措施為施工密集穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，但對強突、松軟、低透煤層，單純采用抽采鉆孔的抽采效果一般，為了提高鉆孔抽采效果，必須提高煤層的透氣性［2-4］。目前使用最廣泛的卸壓增透技術(shù)為水力壓裂，通過高壓水壓裂煤體，使煤層的透氣性提高，但水力壓裂存在一定局限性：①待壓裂煤層的堅固性系數(shù)小于0.2時不適合進(jìn)行水力壓裂；②水力壓裂后煤體的卸壓范圍有限，需要進(jìn)行重復(fù)壓裂才能提高抽采效果；③水力壓裂期間現(xiàn)場瓦斯涌出異常，威脅作業(yè)人員的人身安全［5-9］。而水力壓沖技術(shù)則是利用高壓水射流在壓裂煤體的同時對煤體進(jìn)行掏穴，壓出大量煤體，降低煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體被壓出后產(chǎn)生更多的卸壓通道，煤層的透氣性顯著提高，從而實現(xiàn)卸壓增透的目的。此外，水力壓沖掏穴期間作業(yè)地點人員全部撤離，現(xiàn)場壓沖情況可以直接通過視頻監(jiān)控反饋，保證了作業(yè)人員的安全。因此將穿層預(yù)抽鉆孔抽采與水力壓沖卸壓增透技術(shù)相結(jié)合，可以更有效地治理強突、松軟、低透煤層的瓦斯問題［10-12］。

1 水力壓沖技術(shù)防突機理

水力壓沖技術(shù)就是在壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上以巖壁為安全屏障，采用高壓水力作用沖出大量的煤體和瓦斯，從而使煤體的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，為煤體膨脹變形提供充分的空間，周圍煤體在地應(yīng)力作用下發(fā)生膨脹變形，使地應(yīng)力向四周移動，起到局部卸壓作用［13-14］，而且由于煤體的膨脹變形，增加了煤層的透氣性系數(shù)，擴大了排放瓦斯影響范圍，提高了抽采效率，有效降低了煤層的原始瓦斯含量。煤體被濕潤后，其脆性降低，塑性增加，煤體的彈性勢能減小，另外，濕潤煤體后，可降低煤體中殘存瓦斯的解析速度，減小瓦斯膨脹能［15-16］。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗地點煤層賦存及瓦斯情況

-812 m南邊界石門為礦井六水平進(jìn)風(fēng)及運輸?shù)闹饕T，服務(wù)于六水平二采區(qū)，巷道設(shè)計斷面為直墻半圓拱形，凈寬5.3 m，凈高4.15 m，采用錨網(wǎng)噴支護，石門目前距B11b煤層底板法距7 m。B11b煤層為突出煤層，其始突標(biāo)高為-312 m，始突地點埋深327 m，突出地點煤層瓦斯壓力0.78 MPa。本次試驗地點標(biāo)高-812 m，煤層埋深827 m，平均傾角26o，厚度5.7 m，煤層原始瓦斯壓力2.8 MPa、原始瓦斯含量12.31 m3/t；瓦斯放散初速度Δp=23.1 mmHg，堅固性系數(shù)f=0.31，透氣性系數(shù)0.004 83m2/（MPa2·d）。B11b煤黑色，粉粒狀，瀝青光澤，屬半暗-半亮型，斷口參差狀，條痕黑褐色，靠頂部發(fā)育有夾矸。B11b煤層頂板：砂質(zhì)泥巖，深灰色，厚2.3 m。B11b煤層底板：泥巖，深灰色，巖性較脆，厚2.0 m。揭煤區(qū)域煤巖層如圖1所示。

圖1 揭煤區(qū)域煤巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of coal uncovering formation region

2.2 水力壓沖實施方案

2.2.1 壓沖鉆孔設(shè)計與施工 1）注水鉆孔設(shè)計與施工。在-730 m 62213底板巷內(nèi)對應(yīng)-812 m南邊界石門正上方利用反井鉆機施工1個鉆孔，水力壓沖注水用，注水鉆孔設(shè)計參數(shù)如表1所示，注水鉆孔設(shè)計平面圖和剖面圖如圖2（a）～圖2（b）所示。

表1 注水鉆孔設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of water injection drilling hole

圖2 壓沖鉆孔（a）平面圖和（b）剖面圖；區(qū)域措施鉆孔（c）平面圖和（d）剖面圖Fig.2 （a）Planar graph and （b）section graph of water injection drilling hole；（c）Planar graph and（d）section graph of regional measures for drilling hole

鉆孔采用?244 mm復(fù)合片鉆頭開孔施工，鉆孔全孔采用泥漿循環(huán)排渣施工工藝。根據(jù)鉆孔預(yù)計見B11b煤孔深，提前5 m終孔停鉆，起鉆前必須使用泥漿沖凈孔內(nèi)巖粉，確保孔底無淤泥；鉆孔施工結(jié)束后，采用“兩堵一注”帶壓封孔注水泥砂漿封孔固管。鉆孔封孔（注漿）結(jié)束48 h后，向孔內(nèi)壓清水試壓，當(dāng)壓力達(dá)15 MPa時穩(wěn)壓30 min以上為合格，否則需重新注漿，直至合格為止。試壓合格后，利用ZDY-3200S型鉆機，?153 mm鉆頭進(jìn)行透孔，采用孔口簡易防噴裝置，直至透過B11b煤，透孔結(jié)束后對B11b煤進(jìn)行分級掏穴，掏穴孔徑?260 mm。

2）出水鉆孔設(shè)計與施工。-812 m南邊界石門距B11b煤法距7 m前停止施工，在石門迎頭位置施工3個鉆孔，其中C1#孔設(shè)計打透注水鉆孔Z1#，做為水力壓沖出水排渣孔，出水鉆孔設(shè)計參數(shù)如表2所示，出水鉆孔設(shè)計平面圖和剖面圖如圖 2（a）～圖2（b）所示。

表2 出水鉆孔設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of yielding water of drilling hole

第一個鉆孔施工時，安設(shè)Ⅱ代防噴裝置，采用?127 mm復(fù)合片鉆頭、?73 mm肋骨鉆桿施工，鉆孔巖石段采用壓力水排渣施工。根據(jù)鉆孔預(yù)計見B11b煤孔深，見煤換壓風(fēng)排渣施工，同時開啟防噴裝置，直至終孔。鉆孔孔深以至少穿過B11b煤頂板1.0 m為準(zhǔn)。起鉆過程中必須使用壓風(fēng)掃孔，確保孔內(nèi)通暢。鉆孔施工結(jié)束后，采用帶壓封孔，封孔長度不小于20 m。下套管22 m，由孔里向孔外依次下?50 mm雙抗管20 m，?50 mm鐵管2 m，?16 mm注漿管4 m、?16 mm返漿管16 m。

2.2.2 水力壓沖工序 當(dāng)注水鉆孔及-812 m南邊界石門迎頭3個出水鉆孔施工完畢、封孔結(jié)束、壓沖設(shè)備準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行水力壓沖作業(yè)。將注水泵壓力調(diào)至最大臨界值35 MPa。壓沖過程中，安排專人對注水泵的壓力、流量變化情況、注入水量情況進(jìn)行記錄統(tǒng)計，待注水泵壓力明顯下降，同時通過觀察視頻攝像裝置，確定-812 m南邊界石門迎頭出水鉆孔已出水，待出水通道暢通，停止注水泵注水，改用井下供水管路進(jìn)行沖孔。

2.3 水力壓沖效果考察

2.3.1 沖出煤粉量 2015年6月12日開始進(jìn)行水力壓沖，至2015年7月22日結(jié)束壓沖累計用時4 820 min，壓入水量1 290 m3，3個出水鉆孔累計壓出塊狀煤、片狀煤、煤粒、煤泥等沉淀物約285 t。水力壓沖結(jié)束后，通過注水孔和3個出水孔注入水泥沙漿對揭煤區(qū)域內(nèi)的空洞進(jìn)行充填。

2.3.2 增透效果 水力壓沖結(jié)束對壓沖區(qū)域煤體的瓦斯壓力、瓦斯含量及煤層透氣性系數(shù)進(jìn)行考察，考察結(jié)果為B11b煤層瓦斯壓力由2.8 MPa降到 1.2 MPa，瓦斯含量由 12.31 m3/t降到 8.5 m3/t，煤層透氣性系數(shù)由原來的0.004 83 m2/（MPa2·d）增加到0.683 1 m2/（MPa2·d），是原來的141倍。

2.3.3 抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞?水力壓沖結(jié)束后，在石門迎頭及兩幫施工區(qū)域措施鉆孔，根據(jù)B11b煤有效抽采半徑考察報告，確定區(qū)域措施鉆孔按3 m×3 m（走向*傾向）布置，鉆孔控制范圍為巷道輪廓線外上方22.5 m、下方19.6 m、兩幫各15 m，抽采鉆孔在預(yù)抽區(qū)域內(nèi)均勻布置，共計施工234個抽采措施孔，總鉆孔量9 032 m，所有鉆孔一次穿透煤層，并進(jìn)入煤層頂板0.5 m。區(qū)域措施鉆孔布置平面圖和剖面圖如圖 2（c）～圖 2（d）所示。鉆孔施工完畢后立即合茬抽采，并安裝自動計量裝置對鉆孔抽采的瓦斯總量及濃度進(jìn)行計量，經(jīng)計算，-812 m南邊界石門揭煤區(qū)域總瓦斯儲量211 793.68 m3，歷時50 d的抽采后，鉆孔總抽采量135 316.8 m3，抽采率達(dá)63.9%，穿層預(yù)抽鉆孔單孔抽采濃度最高達(dá)75%以上，干管抽采濃度在35%以上，百孔瓦斯抽采純量達(dá)1.07 m3/min，鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采純量隨時間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采純量隨時間變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between gas extraction concentration and purtity of drilling hole and time

2.3.4 試驗結(jié)果分析 南邊界石門B11b煤層經(jīng)過水力壓沖后煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量均大幅下降，煤層的透氣性系數(shù)卻急劇增加，這是由于在高壓水的壓裂、壓沖下，一方面原生孔裂隙張開可擴展，增加煤體的孔隙率，另一方面，原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通，從而形成了相互交織的多裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，增加了瓦斯的運移通道；同時，在沖孔期間原始煤體內(nèi)大量的吸附瓦斯釋放為游離瓦斯，而且由于煤體的膨脹，煤層的透氣性系數(shù)增加，擴大了排放瓦斯影響范圍，提高了抽采效率，極大地降低了煤層的原始瓦斯含量。

2.4 瓦斯治理效果

-812 m南邊界石門迎頭及兩幫鉆場區(qū)域措施鉆孔歷時50 d的抽采后，抽采率達(dá)63.9%＞45%，抽采率達(dá)標(biāo)后需進(jìn)行防突措施效果檢驗，根據(jù)《防突規(guī)定》在石門上部、中部、下部和兩側(cè)共施工5個檢驗測試鉆孔來測定B11b煤層的殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量，根據(jù)測量殘余瓦斯壓力鉆孔的在線監(jiān)測，5個測壓孔的殘余瓦斯壓力分別為0.22 MPa、0.18 MPa、0.24 MPa、0.13 MPa、0.15 MPa，均小于0.74 MPa；殘余瓦斯含量分別為3.42 m3/t、3.15 m3/t、3.26 m3/t、2.75 m3/t、3.08 m3/t，均小于8 m3/t；檢測鉆孔在施工過程中無噴孔、頂鉆、吸鉆等異?，F(xiàn)象。因此，判定待揭B11b煤層已無突出危險，可以進(jìn)行揭煤。在整個揭煤過程中回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.13%，未出現(xiàn)瓦斯異常情況。

3 結(jié) 語

通過在-812 m南邊界石門應(yīng)用水力壓沖技術(shù)，取得了如下成果：

1）降低煤層原始瓦斯壓力及含量。通過對揭煤區(qū)域的煤體進(jìn)行水力壓沖后煤層瓦斯壓力由2.8 MPa降到1.2 MPa，瓦斯含量由12.31 m3/t降到8.5 m3/t，有效遏制了高瓦斯壓力及瓦斯含量下鉆孔施工過程中的“孔突”現(xiàn)象，既提高了區(qū)域措施鉆孔施工的效率，又保證了鉆孔施工人員的安全。

2）提高了區(qū)域措施鉆孔的抽采效果。較水力壓裂相比，水力壓沖不僅壓裂煤體，同時還將煤體掏出，從而使煤體的卸壓通道增加，卸壓范圍更廣；B11b煤層透氣性系數(shù)僅為0.004 83 m2/（MPa2·d），在該條件下B11b煤層穿層鉆孔的抽采濃度在10%～15%之間，而進(jìn)行水力壓沖后，揭煤區(qū)域B11b煤層透氣性系數(shù)增加到0.683 1 m2/（MPa2·d），穿層抽采鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)35%。

3）縮短揭煤工期。根據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過水力壓沖增透后縮短了-812 m南邊界石門區(qū)域措施鉆孔的施工時間及抽采達(dá)標(biāo)時間，揭煤工期也縮短至75 d，實現(xiàn)了深水平強突出煤層安全、快速、高效揭煤。

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