低滲透煤層注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)

崔德偉

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工作面工程地質(zhì)概況

夏店煤礦3116工作面是31采區(qū)的第十三個(gè)工作面，由于陷落柱X2的影響，3116工作面劃分為3個(gè)回采面。3116工作面（里）可采長(zhǎng)度483m，傾斜長(zhǎng)210m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外1）可采長(zhǎng)度140m，傾斜長(zhǎng)130m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外2）可采長(zhǎng)度247m，傾斜長(zhǎng)210m，平均煤厚5.7 m。工作面巷道布置示意圖見下圖1所示。3116工作面所采3#煤層老頂為細(xì)砂巖，厚度5～15m。直接頂為泥巖，厚度1～3m。偽頂為灰質(zhì)泥巖，厚度0.3～0.5m，為黑色夾淺煤。直接底為泥巖，厚度0.8～1.4m。老底為細(xì)砂巖，厚度6.8～9.01m。回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量預(yù)測(cè)最大值為14.6m3/min，為高瓦斯礦井，瓦斯抽放率30%，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。現(xiàn)場(chǎng)高壓注水驅(qū)替促抽治理瓦斯試驗(yàn)在夏店礦+770m水平31采區(qū)3116工作面回風(fēng)順槽開展，即3116工作（外2）回巷區(qū)域。主要注水試驗(yàn)點(diǎn)為48～54#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域、81～90#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域及105～112#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域。

2 工作面瓦斯治理綜合技術(shù)

3116工作面掘成時(shí)間2016年9月15日，工作面煤層原始瓦斯含量為2.5～7.8m3/t，屬于二級(jí)瓦斯管理區(qū)域。3116工作面原始瓦斯含量起伏較大，里段瓦斯含量相對(duì)較低，因此只在工作面外段400m范圍進(jìn)行本煤層鉆孔預(yù)抽。3116工作面（里）和3116工作面（外1）只在回采期間進(jìn)行裂隙帶鉆孔和上隅角埋管抽采；3116工作面（外2）回采前進(jìn)行本煤層預(yù)抽，回采期間進(jìn)行回巷裂隙帶鉆孔和上隅角埋管抽采。

（1）采前本煤層預(yù)抽。3116工作面外部400m范圍進(jìn)行本煤層預(yù)抽，分別在運(yùn)、回巷施工鉆孔200個(gè)、130個(gè)，設(shè)計(jì)鉆孔深120m、孔間距2m、與巷道夾角90°，鉆孔總進(jìn)尺39600m?；叵镱A(yù)抽鉆孔于2016年7月施工完成，運(yùn)巷預(yù)抽鉆孔于2016年9月施工完成。

（2）回采期間裂隙帶抽采。工作面在回采期間進(jìn)行裂隙帶抽采，在3116回巷距切眼60m處開始施工至3116回巷回風(fēng)繞道外50m，共施工450個(gè)巖孔，總進(jìn)尺49500m。

圖1 3116工作面巷道布置示意圖

3 高壓注水驅(qū)替促抽瓦斯工業(yè)試驗(yàn)

3.1 技術(shù)原理

針對(duì)夏店礦3116工作面低滲透3#煤層存在瓦斯預(yù)抽范圍小、瓦斯衰減快和抽采效果差等問(wèn)題，提出注—抽鉆孔間隔布置高壓注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)。通過(guò)注水孔和抽采孔間隔布置，利用高壓水對(duì)煤層瓦斯的驅(qū)替作用和水對(duì)瓦斯的置換解吸作用，提高相鄰抽采孔的瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁?，提?#煤層瓦斯抽采效果，同時(shí)均勻潤(rùn)濕煤層，增大煤體水分，降低回采時(shí)粉塵產(chǎn)生量，有效防治礦井瓦斯、煤塵災(zāi)害。煤層注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)原理示意圖如圖2所示。

圖2 煤層注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)原理示意圖

3.2 試驗(yàn)方案

（1）在煤層1中施工順層抽采鉆孔2、3、4，鉆孔交替布置，之后采用封孔材料和抽采管5、6、7封孔，抽采管外徑75mm，長(zhǎng)度16m，形成鉆孔封孔段8、9、10，封孔段長(zhǎng)度大于8m，并連接負(fù)壓抽采管路開始抽采瓦斯。

（2）抽采一定時(shí)間后，抽采鉆孔的瓦斯流量和抽采濃度顯著降低時(shí)，即單純靠延長(zhǎng)抽采時(shí)間不能達(dá)到好的抽采效果，將抽采孔3作為注水孔，基于孔內(nèi)封孔思路，將膨脹封孔器11插入抽采管6內(nèi)，封孔器長(zhǎng)度1～1.5m，外徑55mm，最大工作壓力10MPa。

（3）將膨脹封孔器11利用高壓膠管12依次與高壓閥門13、注水流量計(jì)14和高壓注水泵15連接，高壓注水泵與井下供水管16連接。抽采孔2、4繼續(xù)與負(fù)壓抽采管路19、20連接抽采。

（4）利用高壓注水泵15向鉆孔3實(shí)施煤層注水，注水壓力6～8MPa，通過(guò)注水流量計(jì)14觀測(cè)注水流量和注水壓力；注水時(shí)通過(guò)孔板流量計(jì)17、18及抽采管預(yù)留觀測(cè)孔檢測(cè)鉆孔2、4的抽采流量、抽采濃度和負(fù)壓參數(shù)。

（5）注水采用連續(xù)注水或間隔注水方式，注水一定時(shí)間后，一般為48～96h，注水時(shí)間可根據(jù)煤層實(shí)際條件、鉆孔間距及注水壓力等綜合確定。應(yīng)保證注入水不能進(jìn)入抽采鉆孔2、4內(nèi)。將閥門13關(guān)閉，注水泵停止注水，封孔器繼續(xù)膨脹封孔，孔內(nèi)壓力水慢慢滲入煤層。煤層注水驅(qū)替促抽治理瓦斯鉆孔布置示意圖如圖3所示，夏店礦實(shí)際施工鉆孔參數(shù)見表1。

圖3 鉆孔布置示意圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

（1）封孔方法

為達(dá)到良好的高壓注水封孔效果，基于“管內(nèi)封孔”思想，在瓦斯抽采管內(nèi)利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，可以克服封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴(yán)問(wèn)題。注水專用封孔器由鋼絲膨脹膠管、泄壓閥、快速接頭組成，封孔器可反復(fù)使用數(shù)次，注水結(jié)束后卸掉壓力，封孔器即可恢復(fù)原狀，取出封孔器。結(jié)合瓦斯抽采管參數(shù)，設(shè)計(jì)的封孔器主要參數(shù)如表2所示，主要包括外徑Ф50mm和Ф55mm兩種型號(hào)。

表1 鉆孔參數(shù)表

表2 封孔器技術(shù)參數(shù)表

（2）高壓注水泵

結(jié)合夏店礦煤層實(shí)際，3116回巷現(xiàn)場(chǎng)煤層注水驅(qū)替促抽瓦斯試驗(yàn)選擇動(dòng)壓注水方式。注水試驗(yàn)選擇精誠(chéng)3ZSB-105/11型高壓注水泵，注水泵動(dòng)力端同時(shí)采用飛濺和強(qiáng)制兩種潤(rùn)滑方式，柱塞采用強(qiáng)制冷卻方式，配置安全溢流閥和調(diào)壓閥。泵組配置包括泵、溢流閥、壓力調(diào)節(jié)閥、聯(lián)軸器、聯(lián)軸器護(hù)罩、礦用防爆電動(dòng)機(jī)、底座等。注水泵為高壓柱塞泵，泵軸位置為臥式，驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)，柱塞Φ22mm，柱塞數(shù)3個(gè)，i=3.650，額定轉(zhuǎn)速為400r/min，最大工作壓力22MPa。

（3）試驗(yàn)過(guò)程

2016年9月～10月主要為試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采參數(shù)測(cè)定工作，確定最佳注水時(shí)機(jī)。10月22日之后主要在3116回風(fēng)巷48～54#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域（安裝四寸孔板流量計(jì)）、81～90#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域（四寸孔板流量計(jì)）及105～112#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域（安裝匯流管電子流量計(jì)），至12月14日完成現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)。

4 注水驅(qū)替促抽瓦斯試驗(yàn)結(jié)果及分析

48～54#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域完成注水試驗(yàn)3組，注水孔分別為49#、51#和53#孔。

49#孔：累計(jì)注水時(shí)間40min，注水壓力8MPa，預(yù)計(jì)注水量1.5m3。48#孔單孔濃度10%，注水時(shí)提高1.5倍，濃度達(dá)25%；50#孔單孔濃度11%，注水時(shí)提高1倍，濃度22%。注水時(shí)聯(lián)孔區(qū)域瓦斯混合流量提高了近3倍，混合量達(dá)0.86m3/min。原單鉆孔平均混合量為0.07m3/min，現(xiàn)為0.17m3/min，提高1.4倍。高壓注水促抽相鄰鉆孔瓦斯效果顯著。

51#孔：累計(jì)注水時(shí)間7min，注水壓力8MPa，與52#鉆孔之間壓穿，壓力水從52#鉆孔流出。50#、52#注水前濃度為11%和12%，注水后濃度提高1倍，濃度分別為18%、25%。

53#孔：累計(jì)靜壓注水85min，注水壓力4MPa，動(dòng)壓注水40min，注水壓力6.5MPa。注水后54#孔瓦斯?jié)舛扔?%提高到20%，提高近6倍。52#孔濃度由12%提高到25%，提高1.1倍。

該區(qū)域?qū)嵤┳ⅰ殂@孔間隔布置高壓注水促抽瓦斯效果十分明顯，尤其是49#注水孔，對(duì)相鄰48#、50#抽采孔促抽瓦斯明顯（見表3），相鄰48#、50#抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁烤蠓黾?，?lián)孔區(qū)域瓦斯純流量增加近5倍，注水促抽瓦斯效果持續(xù)周期達(dá)10d。

表3 注水前和注水時(shí)鉆孔抽采參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（以11月6日為例）

5 結(jié)論

（1）基于“管內(nèi)封孔”思想，在瓦斯抽采管內(nèi)利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，克服了封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴(yán)問(wèn)題，達(dá)到良好的高壓注水封孔效果，且封孔器可反復(fù)使用數(shù)次，注水結(jié)束后卸掉壓力，封孔器即可恢復(fù)原狀，取出封孔器。

（2）現(xiàn)場(chǎng)注水促抽瓦斯試驗(yàn)表明：注水時(shí)相鄰抽采鉆孔煤層瓦斯流量和瓦斯?jié)舛染@著增加，此時(shí)以水對(duì)瓦斯的驅(qū)替作用為主；注水后一定時(shí)間相鄰鉆孔瓦斯流量和瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)增加，增加幅度小于注水時(shí)，以水對(duì)瓦斯的置換解吸作用為主；注水驅(qū)替促抽瓦斯持續(xù)周期為10d左右。