井巷揭煤地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)

張東亮

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井巷揭煤地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)

張東亮

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

井巷如何安全、高效揭穿突出煤層是防突工作不斷探索的課題，地面預(yù)抽煤層瓦斯輔助消突不失為一種有效的解決途徑。基于井巷揭煤突出機(jī)理和防突核心任務(wù)分析，研究了地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)特點(diǎn)和適應(yīng)性。工程應(yīng)用表明，采用洞穴完井和水力壓裂強(qiáng)化預(yù)抽，可有效降低井巷揭煤區(qū)煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，使揭煤區(qū)應(yīng)力釋放或泄壓，破壞煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)力來(lái)源，從而變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)。地面預(yù)抽煤層瓦斯能夠有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，適合復(fù)雜地質(zhì)條件下石門(mén)、井筒揭煤防突工作。

井巷揭煤；煤與瓦斯突出；地面預(yù)抽；輔助消突

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)和掘進(jìn)過(guò)程中引發(fā)的一種工程地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全[1]，防治煤與瓦斯突出是突出礦井生產(chǎn)建設(shè)的首要任務(wù)之一。由于巖石井巷揭煤的特殊性，發(fā)生煤與瓦斯突出的概率最大[2-3]，其突出的強(qiáng)度和造成的危害也較井下其他條件下的大[4]。井巷揭煤包括石門(mén)、豎井和斜井的揭煤。以往井巷揭穿突出煤層，主要采用“四位一體”的綜合防突措施[5-7]，采用的技術(shù)工藝有鉆孔抽排、預(yù)裂爆破、水力沖孔等[8-10]，這些方法和措施主要集中在井下，由于工作空間受限，防突工作存在工期長(zhǎng)、工序復(fù)雜、安全系數(shù)低等問(wèn)題。隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加，地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力也隨之增大，井下防突工作的難度也不斷加大，井巷如何安全、高效揭穿突出煤層仍是煤礦安全領(lǐng)域不斷探索的課題。

實(shí)踐證明，地面預(yù)抽煤層瓦斯是礦井瓦斯治理的有效方式[11]。地面預(yù)抽輔助消突，其思路是在井巷揭煤前，通過(guò)地面鉆井和儲(chǔ)層強(qiáng)化預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯，降低甚至消除突出威脅，為井巷快速揭煤創(chuàng)造條件。與井下防突措施相比，地面預(yù)抽工程在地面完成，安全性高，幾乎不受時(shí)間和空間限制，在揭煤區(qū)域確定的情況下可提前數(shù)年開(kāi)展抽采和消突工作，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。筆者將地面預(yù)抽技術(shù)與井巷揭煤消突工作相結(jié)合，通過(guò)鉆完井、儲(chǔ)層強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)，開(kāi)展石門(mén)、井筒揭煤輔助消突技術(shù)方法研究，以期為井巷揭煤防突工作提供借鑒。

1 井巷揭煤防突的核心任務(wù)

1.1 井巷揭煤突出機(jī)理

煤與瓦斯突出是煤層中儲(chǔ)存的瓦斯能和應(yīng)力能的失穩(wěn)釋放[3]，是一種復(fù)雜的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象。一般認(rèn)為，煤與瓦斯突出受煤體性質(zhì)、瓦斯和地應(yīng)力3方面因素的控制[12-13]，含高壓瓦斯且受到嚴(yán)重破壞的構(gòu)造煤(主要是碎粒煤和糜棱煤)是突出發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造作用，特別是地應(yīng)力是突出發(fā)生的動(dòng)力基礎(chǔ)，構(gòu)造破壞帶和構(gòu)造應(yīng)力集中地帶是發(fā)生煤與瓦斯突出的主要位置和敏感區(qū)[13]，一切由震動(dòng)產(chǎn)生的巖體裂隙和沖擊載荷是導(dǎo)致煤與瓦斯突出的激發(fā)條件[14]。

井巷揭煤突出是含高壓瓦斯的構(gòu)造煤在特定構(gòu)造和應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下發(fā)生的動(dòng)力災(zāi)害。在石門(mén)或井筒揭露突出煤層時(shí)，在有利的約束條件(工作面前方巖柱)下，瓦斯突出煤體內(nèi)地應(yīng)力和瓦斯壓力梯度增大，形成應(yīng)力集中并集聚很大的變形能，在爆破或掘進(jìn)等作業(yè)因素誘導(dǎo)下，地應(yīng)力狀態(tài)的突然改變導(dǎo)致極限應(yīng)力狀態(tài)的煤體突然破壞并發(fā)生突出，煤體破碎剝離瞬間解吸的大量吸附瓦斯形成“瓦斯風(fēng)暴”流參與突出，從而在極短時(shí)間內(nèi)將大量煤巖和瓦斯拋向工作空間[3]。其中，地應(yīng)力和瓦斯壓力分別為突出的發(fā)生和發(fā)展提供了動(dòng)力，煤的破碎程度、瓦斯含量和解吸量、瓦斯放散初速度等對(duì)“瓦斯風(fēng)暴”的形成起決定作用。

1.2 防突的核心任務(wù)

在井巷揭煤過(guò)程中，嚴(yán)重破壞的構(gòu)造煤體、應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境、瓦斯賦存狀態(tài)(瓦斯含量和瓦斯壓力)是控制突出發(fā)生的核心要素。在這些控制要素中，可以通過(guò)人為方式改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)，從而達(dá)到消突的目的。

a.改變突出的應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境 利用煤巖體較為軟弱的特性(高泊松比和低彈性模量)，通過(guò)一定的完井措施，使煤巖體在地應(yīng)力作用下發(fā)生形變和破壞，應(yīng)力釋放，減小揭煤區(qū)域因應(yīng)力集中而聚集的變形能，消除突出的動(dòng)力基礎(chǔ)。

b. 改變突出瓦斯的賦存狀態(tài) 通過(guò)儲(chǔ)層強(qiáng)化和抽采泄壓等措施，降低瓦斯壓力和瓦斯含量，使之滿(mǎn)足非突出賦存狀態(tài)要求(殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8 m3/t)[7]。

2 地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)

地面預(yù)抽輔助消突就是通過(guò)儲(chǔ)層強(qiáng)化(包括洞穴完井、水力壓裂等)和預(yù)抽措施，改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，在一定程度上消除煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)力來(lái)源。

2.1 洞穴完井輔助消突技術(shù)

洞穴完井是在裸眼完井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種重要的煤層氣完井方式和儲(chǔ)層強(qiáng)化措施。該技術(shù)通過(guò)人工動(dòng)力、機(jī)械擴(kuò)孔和高壓水射流等[15]措施在裸眼煤層段造穴，洞穴周?chē)纬蓱?yīng)力集中，使作用于煤層的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，應(yīng)力集中導(dǎo)致煤體在單項(xiàng)負(fù)荷作用下向洞穴移動(dòng)(垮塌)，并隨著應(yīng)力釋放向深部擴(kuò)展，其影響半徑范圍可達(dá)數(shù)十米[16-17]，由此產(chǎn)生的剪切裂隙、引張裂隙等與煤層中原有的內(nèi)外生裂隙溝通(圖1)，從而提高近井地帶滲透性，達(dá)到儲(chǔ)層強(qiáng)化的目的。

圖1 裸眼洞穴周?chē)鷳?yīng)力分區(qū)和裂隙發(fā)育概念圖(據(jù)蘇現(xiàn)波等[16]，王成明等[18]，修改)

在煤層中造穴打破了原巖應(yīng)力平衡，形成泄壓區(qū)和應(yīng)力集中帶，應(yīng)力集中導(dǎo)致煤巖體自洞穴周邊向深部發(fā)生一系列彈塑性變形，圍繞洞穴形成極限平衡區(qū)(包括破碎帶、塑性應(yīng)力區(qū))、彈性應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[18]。極限平衡區(qū)內(nèi)的煤巖體由非穩(wěn)定狀態(tài)向平衡穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使圍巖不斷沿薄弱面和破壞面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和剪切，新的破壞面不斷產(chǎn)生(包括周緣裂隙和引張裂隙)，應(yīng)力不斷釋放，并大量消耗因應(yīng)力集中聚集的變形能。極限平衡區(qū)外邊界應(yīng)是應(yīng)力集中導(dǎo)致煤巖體塑性變形向深部發(fā)展的極限位置，超過(guò)極限位置，煤巖體又處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，因此，極限平衡區(qū)外邊界與應(yīng)力集中帶外邊界一致。應(yīng)力集中帶范圍可根據(jù)洞穴圍巖受力狀態(tài)建立的極限平衡方程推導(dǎo)獲得，其外邊界到洞穴壁的距離[17]為：

式中為煤層厚度；為層面間的摩擦系數(shù)，一般取0.3；為煤體內(nèi)摩擦角；0為煤體殘余強(qiáng)度，可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定；為上覆巖層巖體密度；為煤層埋深；為調(diào)整系數(shù)。

從式(1)可知，應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍大小主要受煤厚、埋深和煤的機(jī)械性能等因素影響。煤層越厚越利于形成大的洞穴和較長(zhǎng)的誘導(dǎo)裂隙[16]，從而擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍；機(jī)械強(qiáng)度較低的碎軟煤層由于內(nèi)摩擦角較小、內(nèi)聚力較低，更易垮落形成洞穴，有利于應(yīng)力釋放區(qū)向深部擴(kuò)展；埋深越大，應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍也相應(yīng)增大[19]。理論上，洞穴周?chē)膽?yīng)力釋放能夠使圍巖產(chǎn)生大量裂隙，從而提高煤層透氣性，煤層越厚、洞穴規(guī)模越大，越有利于擴(kuò)大泄壓范圍。

對(duì)于埋藏深、厚度大的碎軟突出煤層，洞穴完井一般可以取得更大的應(yīng)力釋放范圍。通過(guò)科學(xué)布井、洞穴完井和預(yù)抽，使應(yīng)力釋放區(qū)有效覆蓋井巷揭煤區(qū)域，改變井巷揭煤區(qū)域突出應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，可達(dá)到降低突出危險(xiǎn)性的目的。

2.2 水力壓裂預(yù)抽輔助消突技術(shù)

水力壓裂作為一種有效的儲(chǔ)層增產(chǎn)措施在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。其原理是利用地面高壓泵車(chē)(組)通過(guò)井筒向煤層段擠注具有特定性能的壓裂液和支撐劑，在煤儲(chǔ)層中留下一條或多條支撐裂縫，從而有效地連接井筒和天然裂隙，在排水采氣時(shí)更廣泛地分配井孔附近的壓降，提升產(chǎn)能[20-21]。

實(shí)踐證明，水力壓裂主裂縫半長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十米甚至上百米[21]。煤層氣井水力壓裂后，經(jīng)過(guò)不斷排水降壓，煤儲(chǔ)層壓力持續(xù)下降，當(dāng)儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，瓦斯開(kāi)始解吸并經(jīng)裂縫隨水流進(jìn)入井筒，隨著抽采的持續(xù)，最終在以井筒為中心的煤儲(chǔ)層段形成一個(gè)不斷擴(kuò)大的壓降漏斗區(qū)[22]，大量的瓦斯解吸并產(chǎn)出井口。研究表明，水力壓裂強(qiáng)化的煤層氣井經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽采，可有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定范圍內(nèi)可以達(dá)到消突的目的，預(yù)抽消突時(shí)間與單井日產(chǎn)量之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)[23]，單井抽采量越高，預(yù)抽消突時(shí)間越短。而瓦斯抽采的強(qiáng)度一般隨距井眼距離的增加而降低，近井地帶(井眼周?chē)?~40 m半徑范圍)，由于裂縫寬度最大，導(dǎo)流能力強(qiáng)(水力壓裂的支撐劑顆粒一般都沉積在近井地帶[24])，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最早實(shí)現(xiàn)消突的區(qū)域。

實(shí)際上，井巷揭煤區(qū)范圍較小，在揭煤區(qū)域確定的情況下，可以通過(guò)合理的鉆井軌跡設(shè)計(jì)和水力壓裂，對(duì)揭煤區(qū)提前進(jìn)行1~3 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間抽采覆蓋，變突出區(qū)域?yàn)榉峭怀鰠^(qū)域。

3 工程應(yīng)用

3.1 謝一礦石門(mén)揭煤洞穴完井輔助消突實(shí)踐

淮南礦區(qū)謝一礦為典型的煤與瓦斯突出礦井，瓦斯含量13~18 m3/t，瓦斯壓力2.0~6.8 MPa；井下實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值31.2 MPa[25]；加之碎軟煤層發(fā)育，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，已發(fā)生中–特大型突出事故十余起。由于地應(yīng)力高，瓦斯含量和壓力高，井下鉆孔施工難度大，“噴孔”嚴(yán)重，抽采效果不佳，石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)系數(shù)大，井下措施已不能完全滿(mǎn)足防突需要。為了降低消突工作難度，縮短揭煤工期，對(duì)–960 m軌道石門(mén)揭B11煤層區(qū)域(煤厚約6.4 m)采用地面洞穴完井輔助消突。

在石門(mén)揭煤區(qū)域設(shè)計(jì)布置2口定向井(T01和T02)和1口多分支水平對(duì)接井(T03)(圖2)。其中，兩口定向井為洞穴井，落點(diǎn)位于石門(mén)揭煤點(diǎn)的兩側(cè)，相距約15 m；多分支水平井落點(diǎn)位于–960 m軌道石門(mén)上方的巷道中線(xiàn)上，并在B11煤層中側(cè)鉆形成兩個(gè)分支，分別與T01和T02井對(duì)接。鉆井和固井結(jié)束后，采用機(jī)械擴(kuò)孔、高壓水射流沖刷和空氣動(dòng)力3種方法相結(jié)合的方式，分別對(duì)T01和T02井B11煤層段進(jìn)行造穴作業(yè)，其中機(jī)械擴(kuò)孔最大孔直徑為500 mm，空氣動(dòng)力最大放噴壓力8 MPa。T01井造穴出煤粉量約171 m3，T02井造穴出煤粉量約131 m3，經(jīng)粗略估算，相當(dāng)于分別形成了半徑為3.0 m和2.5 m的圓柱形洞穴。造穴完成后，對(duì)T01和T02井分別進(jìn)行瓦斯抽采，共計(jì)抽采瓦斯量4.75萬(wàn)m3。

由于洞穴井距離近(約15 m)，造穴作業(yè)過(guò)程中井間相互溝通，加之與T03井對(duì)接和瓦斯抽采，使石門(mén)揭煤區(qū)域應(yīng)力得到釋放，泄壓明顯。井下鉆孔測(cè)試顯示，經(jīng)過(guò)洞穴完井和預(yù)抽，瓦斯壓力由原始的6.8 MPa下降到0.2~4.5 MPa，瓦斯含量由18 m3/t下降至13 m3/t[26]，井下鉆孔未再次出現(xiàn)嚴(yán)重噴孔現(xiàn)象，有效降低了井下揭煤防突難度，提高了揭煤效率。

圖2 淮南謝一礦石門(mén)揭煤洞穴完井輔助消突示意圖

3.2 官寨煤礦井筒揭煤輔助消突預(yù)測(cè)

貴州官寨煤礦屬于籌建礦井，煤層發(fā)育具有“層數(shù)多、總厚度大”的特點(diǎn)，共含可采煤層10層，各層平均煤厚0.9~2.6 m。受井田大型斷層帶影響，各煤層均遭受不同程度的構(gòu)造破壞，碎軟低滲煤層(特別是碎粒煤和糜棱煤)較為發(fā)育，可采煤層試井平均滲透率低于0.10×10-3μm2。各煤層均為無(wú)煙煤，吸附能力強(qiáng)，瓦斯含量高，埋深超過(guò)200 m，瓦斯含量一般超過(guò)8 m3/t，最大達(dá)24.90 m3/t，瓦斯壓力0.80~2.25 MPa。由于瓦斯含量高、壓力大，加之煤質(zhì)碎軟，各煤層均具有突出危險(xiǎn)性。

官寨煤礦采用“斜井+立井”聯(lián)合開(kāi)拓，主斜井、副立井所在的大型斷層帶(F2和F14斷層帶)是突出的危險(xiǎn)地帶(圖3)，井筒揭露具有突出危險(xiǎn)性煤層時(shí)，在前方巖柱的有利約束下，工作面前方會(huì)形成應(yīng)力集中和能量聚集，在措施不到位的情況下，極易發(fā)生突出事故。為了降低未來(lái)井筒揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，對(duì)副立井和主斜井分別設(shè)計(jì)采用洞穴完井和水力壓裂預(yù)抽技術(shù)進(jìn)行輔助消突。

3.2.1 副立井揭煤洞穴完井輔助消突

副立井位于南二盤(pán)區(qū)F14、F13和Fx斷層切割的斷塊位置，設(shè)計(jì)深度546 m，截面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰?guī)r大巷貫通。井檢孔資料顯示，井筒揭穿厚度較大、具有突出危險(xiǎn)性的煤層8層，煤厚0.80~4.99 m，瓦斯含量8.98~16.31 m3/t(表1)，瓦斯壓力1.06~1.78 MPa，受斷層影響，各可采煤層以碎粒煤和糜棱煤為主。

圖3 貴州官寨煤礦井主斜井、副立井位置示意圖

表1 貴州官寨煤礦副立井井筒揭煤參數(shù)表

在副立井揭煤區(qū)兩側(cè)同一直線(xiàn)上設(shè)計(jì)布置2口垂直井，2井距井筒法線(xiàn)距離均為10 m(圖4a)，垂直井揭穿所有煤層后繼續(xù)施工50 m口袋。鉆井和套管完成后，分別采用“機(jī)械擴(kuò)孔+高壓水射流+空氣動(dòng)力”組合方式對(duì)兩口井揭露的具有突出危險(xiǎn)性的2、4、6、10、11、12和15號(hào)等煤層進(jìn)行洞穴完井。

造穴過(guò)程中，盡可能擴(kuò)大洞穴的規(guī)模并使井間同一煤層洞穴溝通，使應(yīng)力釋放，再通過(guò)抽采擴(kuò)大卸壓區(qū)范圍并覆蓋揭煤區(qū)域；原則上，煤厚0.8~2.0 m的煤層，洞穴直徑不小于2.0 m，煤厚3 m以上的煤層洞穴直徑不小于4 m。單井多層煤的洞穴完井，采用自下而上的順序進(jìn)行，下部煤層造穴完成后，在洞穴中填滿(mǎn)粗砂，在上、下煤層之間下入可鉆式橋塞封隔；下部井?dāng)嘣煅ㄍ瓿珊螅_(kāi)始上部煤層的造穴作業(yè)，直至所有突出煤層全部完成造穴作業(yè)，形成一個(gè)由井眼相連的“串珠”狀洞穴；造穴作業(yè)全部完成后，下鉆掃除可鉆橋塞，通井后，在井口安裝抽油機(jī)進(jìn)行瓦斯合層抽采(圖4a)。

圖4 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井及抽采效果預(yù)測(cè)圖

采用CBM-SIM數(shù)值模擬軟件，對(duì)洞穴完井后各煤層抽采效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)330 d抽采，抽采總量達(dá)10.82萬(wàn)m3，揭煤區(qū)域卸壓，殘余瓦斯含量降至7.16~12.00 m3/t，突出危險(xiǎn)性大大降低(表2，圖4b)。

表2 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井預(yù)抽效果預(yù)測(cè)表

3.2.2 主斜井揭煤水力壓裂輔助消突

主斜井揭煤區(qū)位于北二盤(pán)區(qū)F2正斷層下盤(pán)(圖3)，井筒傾角21.5°，斜長(zhǎng)1 380 m，斷面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰?guī)r中的大巷貫通。井檢孔資料顯示，揭露的2號(hào)、5號(hào)、9號(hào)和11號(hào)煤層為構(gòu)造煤，瓦斯含量9.64~17.21 m3/t，瓦斯壓力0.79~1.27 MPa(表3)。

設(shè)計(jì)在井筒揭煤區(qū)布置“U”型井組，由1口定向井和1口直井對(duì)接，其中，定向井井眼軌跡位于主斜井井筒軌跡下方5~10 m，與主斜井井筒揭煤段軌跡平行(圖5)。首先施工垂直井(兼做參數(shù)井)，再施工定向井與垂直井對(duì)接。鉆完井結(jié)束后，在定向井段采用泵注橋塞電纜射孔壓裂聯(lián)合作業(yè)技術(shù)[27]對(duì)2號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層進(jìn)行射孔和分段壓裂。壓裂完成后，對(duì)揭露的其他煤層全部射孔打開(kāi)，在直井井口安裝抽油機(jī)進(jìn)行抽采(圖5a)。

表3 貴州官寨煤礦主斜井揭穿煤層參數(shù)

2015年，官寨井田實(shí)施了地面瓦斯抽采試驗(yàn)(GZ-01井)，獲取了儲(chǔ)層基礎(chǔ)參數(shù)和氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行歷史擬合獲取的煤儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層壓力等參數(shù)，更加真實(shí)地反映官寨井田的儲(chǔ)層地質(zhì)條件，這些參數(shù)可以用來(lái)對(duì)主斜井抽采效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，主斜井采用定向井水力壓裂方式進(jìn)行瓦斯抽采1 a，近井地帶(井眼周?chē)?0 m范圍)瓦斯含量降至5.6~7.4 m3/t，滿(mǎn)足主斜井開(kāi)挖20 m范圍內(nèi)瓦斯含量低于8 m3/t的要求[28]，主斜井揭煤突出危險(xiǎn)性大大降低(圖5b)。

圖5 主斜井揭煤水力壓裂及抽采效果預(yù)測(cè)圖

4 結(jié)論

a. 防突工作的核心任務(wù)是通過(guò)工程技術(shù)措施改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，消除突出發(fā)生的動(dòng)力來(lái)源和物質(zhì)基礎(chǔ)，變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)。

b.在煤層中造穴，可以改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，減小因應(yīng)力集中而聚集的變形能，使洞穴周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)應(yīng)力釋放并卸壓，從而減小突出發(fā)生的動(dòng)力來(lái)源；煤層越厚、洞穴規(guī)模越大越利于取得大范圍的應(yīng)力釋放和卸壓。煤層氣井近井地帶(0~30 m半徑)水力壓裂形成的支撐裂縫寬度最大，導(dǎo)流能力最強(qiáng)，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最易實(shí)現(xiàn)消突的區(qū)域。工程實(shí)踐表明，將洞穴完井或水力壓裂預(yù)抽形成的應(yīng)力釋放區(qū)或壓降范圍有效地覆蓋井巷揭煤區(qū)域，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽采，降低了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定程度上可降低突出危險(xiǎn)性甚至達(dá)到消突的目的。

c.地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)安全性高，可有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，是井下防突措施的重要補(bǔ)充，適合構(gòu)造復(fù)雜帶或深部強(qiáng)突煤層(井下措施難以到位、安全風(fēng)險(xiǎn)大)的井巷揭煤防突工作。

需要指出的是，我國(guó)煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，采用地面預(yù)抽技術(shù)開(kāi)展井巷揭煤輔助消突，要充分考慮安全性和生產(chǎn)接續(xù)的緊迫程度，考慮不同抽采技術(shù)的適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性，靈活運(yùn)用。再者，經(jīng)過(guò)地面預(yù)抽輔助消突，仍需要井下開(kāi)展防突效果檢驗(yàn)，對(duì)于地面預(yù)抽不達(dá)標(biāo)的區(qū)域，需布置新的防突措施。

致謝：在本文撰寫(xiě)過(guò)程中，王成、茹婷和王正喜等同事給予了支持和幫助，在此表示衷心感謝！

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Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft

ZHANG Dongliang

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

How to expose an outburst-prone coal seam safely and efficiently in tunnel and mine shaft is always a subject to study continuously in outburst prevention, surface coalbed gas pre-drainage is an effective approaches for outburst prevention. Based on the analysis of outburst mechanism in tunnel and mine shaft and the core task of outburst prevention, the characteristics and adaptability of the outburst prevention techniques by surface pre- drainage are studied. Practical engineering application shows that the gas content and pressure in coal exposure area can be effectively reduced using surface pre-drainage well by cavern completion or hydraulic fracturing, the stress or pressure relief and the source and driving force of outburst are weakened after drainage, the seam changed from outburst state to non outburst state. Surface pre-drainage of coal gas can effectively reduce the difficulty of underground outburst prevention and improve coal exposure efficiency, therefore, can be used for outburst prevention during coal exposure in cross-cut and shaft with complicated geological conditions.

surface gas pre-drainage; outburst prevention; coalbed exposure in tunnel and mine shaft

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Reserch Institute of CCTEG(2017XAYZD17)

張東亮，1982年生，男，河南平頂山人，助理研究員，碩士，從事煤層氣勘探開(kāi)發(fā)與煤礦瓦斯治理工作. E-mail：zdl21025@126.com

張東亮. 井巷揭煤地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：49–55.

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1001-1986(2019)03-0049-07

TD82

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.009

2018-09-11

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2016ZX05045-002)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2017XAYZD17)

(責(zé)任編輯 范章群)