“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)研究

郝建國

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

我國煤與瓦斯突出多發(fā)生于石門揭煤和煤巷掘進(jìn)過程中，其中，以石門揭煤最為危險(xiǎn)，其突出煤量一般在數(shù)百噸以上，突出瓦斯超過數(shù)萬方[1]。特別是，石門揭開突出危險(xiǎn)煤層，是煤炭生產(chǎn)企業(yè)在巷道掘進(jìn)過程中不得不面對(duì)的一項(xiàng)十分危險(xiǎn)工作[2]。目前石門揭煤常用的防突措施有：預(yù)抽排瓦斯、超前鉆孔卸壓、水力沖刷、水力沖孔、擴(kuò)孔鉆具卸煤、震動(dòng)放炮或遠(yuǎn)距離放炮等[3，4]。這些措施雖然對(duì)煤與瓦斯突出起到了一定的防治作用，但是會(huì)造成煤體不同程度的破壞，降低了煤體對(duì)突出的抵御作用，尤其是對(duì)松軟破碎煤體的影響更為突出[3]，且存在施工速度慢、施工工期長、安全性低、巷道支護(hù)效果差等問題，導(dǎo)致巷道布置和工作面接替緊張，不利于礦井生產(chǎn)布置[4]。

隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性也不斷增大[5]，僅僅采用單一、常規(guī)的石門揭煤防突措施還不能夠在短時(shí)間內(nèi)降低揭煤區(qū)域煤層的突出危險(xiǎn)性。因此研究采用“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)，可以克服常規(guī)措施的不足，實(shí)現(xiàn)安全快速揭煤。

1 礦井概況

鹽井一礦井田位于重慶合川區(qū)南，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.90Mt/a。該礦井為煤與瓦斯突出礦井，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為7.82m3/min，最大絕對(duì)二氧化碳涌出量為0.35m3/min，井田內(nèi)K2、K4、K7煤層均為有突出危險(xiǎn)至嚴(yán)重突出危險(xiǎn)，瓦斯含量為20～25m3/t，-150m水平瓦斯壓力為5.2～6.6MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.021m2/(MPa2·d)，屬于典型的高瓦斯壓力、高地應(yīng)力、低透氣性、強(qiáng)突出煤層群。鹽井一礦主采的K4煤層，松軟破碎，普氏系數(shù)平均為1.0～1.5，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，厚0.25～2.74m，平均厚度1.45m，屬于中厚煤層。此次選擇在鹽井一礦-150m階段二石門K4煤層進(jìn)行石門揭煤。

2 “壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)原理

常規(guī)的石門揭煤工藝技術(shù)只是著眼于煤巖彈性能和瓦斯?jié)撃艿尼尫臶2]，而“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)則是從根本上考慮了在突出過程中起決定作用的煤體強(qiáng)度和瓦斯釋放條件[6]，綜合采用了高壓水力壓裂、石門固化、預(yù)抽瓦斯等“三位一體”防突措施，消除了煤層突出危險(xiǎn)性，提高了石門揭煤效率。“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)是一個(gè)相互協(xié)調(diào)、互為補(bǔ)充、互相促進(jìn)、相輔相成的有機(jī)整體，各種技術(shù)措施充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了安全、快速、順利揭開煤層。

1)“高壓水力壓裂”適用于類似K4的高瓦斯、高地應(yīng)力、低透氣性的松軟破碎煤層[7]。實(shí)際壓裂過程中，起裂壓力不低于20MPa，水力壓裂壓力控制在24～30MPa之間，當(dāng)水力壓裂壓力持續(xù)上升至一設(shè)定的壓力降3MPa以上后，保持壓裂至注水量達(dá)到預(yù)計(jì)值或出現(xiàn)壓力急劇下降，注水流量急劇上升時(shí)停止壓裂，期間保持注水流量在200L/min左右。停止壓裂后，通過觀察孔及周邊煤體的滲水情況發(fā)現(xiàn)，有效壓裂半徑可以達(dá)到20m以上，完全覆蓋到石門揭煤區(qū)域，有效增大了煤層透氣性系數(shù)[8]。

2)在停止“高壓水力壓裂”之后的48h之內(nèi)進(jìn)行“石門注漿固化”，確保在煤體壓裂的最大范圍內(nèi)及時(shí)進(jìn)行注漿固化，保證固化效果?！笆T注漿固化”是通過向松軟煤體中高壓壓注適應(yīng)煤層特性的“天固?加固材料”，使加固材料充分滲透于煤體裂隙和孔隙之中，使煤的內(nèi)表面粘合膠結(jié)固化，改變煤的不均質(zhì)性，使得煤體的強(qiáng)度和承載能力得以加強(qiáng)，起到粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)的作用[2]，從而增強(qiáng)煤與瓦斯突出時(shí)的阻力[9]。從開始打鉆到壓注加固材料，石門周圍鉆孔里的瓦斯得到一定程度的自然排放，減緩或阻止了煤體內(nèi)壓縮瓦斯的勢能釋放，削弱了瓦斯在突出中的作用[10]，同時(shí)送入鉆孔內(nèi)的注漿鐵管起到了金屬骨架的作用，有效加固了石門周圍的煤巖體[11]，形成一個(gè)“引力承載圈”，起到承載上覆煤體重力以及巷道周邊應(yīng)力的作用，提高了煤體抵抗外載荷的能力，有效防止了煤體的自然破碎與離層。

3)在完成“石門注漿固化”待煤體穩(wěn)定之后進(jìn)行“預(yù)抽瓦斯”?！邦A(yù)抽瓦斯”是對(duì)石門區(qū)域瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，降低石門附近瓦斯壓力和瓦斯含量[12]，提高煤層的硬度，進(jìn)一步削弱瓦斯的影響。

3 “壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)

3.1 高壓水力壓裂

在-150m水平二石門距離K4煤層垂距10m處施工壓裂孔，初期設(shè)計(jì)1個(gè)，采用膠囊式封孔器封堵。壓裂孔在距巷道底板1m高位置處開孔，為了配合膠囊式封孔器封堵，設(shè)計(jì)鉆孔傾角10°，孔深度21.07m，孔徑89mm，鉆孔穿透K4煤層進(jìn)入頂板0.5m，壓裂孔布置如圖1所示。

圖1 壓裂孔布置(mm)

采用BRW31.5/200型乳化泵通過壓裂孔對(duì)K4煤層注水進(jìn)行高壓水力壓裂，設(shè)備最大工作壓力為31.5MPa，當(dāng)壓裂壓力持續(xù)上升至一設(shè)定的壓力降3MPa以上后，保持壓裂至注水量達(dá)到預(yù)計(jì)值或出現(xiàn)壓力急劇下降，注水流量急劇上升時(shí)停止壓裂。

煤體進(jìn)行高壓水力壓裂后，其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化，瓦斯壓力和彈性潛能降低，一定程度上降低了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性[13]；同時(shí)，其孔隙裂隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生很大變化，裂隙發(fā)育更明顯，煤體的透氣性增加，提高了煤層的滲透率[14]，有利于下一步注漿固化揭煤，提高固化效果；此外，高壓水進(jìn)入煤體裂隙，大大降低了瓦斯放散初速度[15]，增加了瓦斯流動(dòng)的阻力，進(jìn)一步降低了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性[4]。

3.2 石門注漿固化

3.2.1 注漿加固鉆孔的布置

在石門掘進(jìn)距煤層法線9.5m時(shí)開始布置注漿加固鉆孔，頂板上部布置2圈鉆孔，內(nèi)圈鉆孔終孔距巷道輪廓線平均約2.1m，外圈鉆孔終孔距巷道輪廓線平均約2.9m；左右兩側(cè)各布置1排鉆孔，終孔距巷道輪廓線2.5m；底部布置1排鉆孔，終孔距巷道輪廓線1m；鉆孔終孔位置應(yīng)施工至煤層頂板0.5m處，鉆孔終孔間距約為1m左右，平均孔深21m，控制巷道周界5m，共布置鉆孔60個(gè)，現(xiàn)場施工可以根據(jù)需要補(bǔ)孔，石門注漿加固鉆孔布置如圖2所示。

圖2 石門注漿加固鉆孔布置(mm)

3.2.2 注漿材料的選擇

進(jìn)行注漿固化的材料主要有兩大類：一類是采用常規(guī)的水泥漿；另一類是采用高分子發(fā)泡材料。常用的反應(yīng)型高分子發(fā)泡材料有聚氨酯和聚脲酸酯兩類。其中，聚氨酯材料是易燃材料，強(qiáng)度硬度較低，耐收縮性能和氣體阻隔性能一般；而聚脲酸酯材料是難燃材料，相對(duì)于聚氨酯強(qiáng)度硬度高，耐收縮性能優(yōu)異，氣體阻隔性能優(yōu)異[16]。經(jīng)過比較分析，并結(jié)合實(shí)際情況選用重慶煤科院自行研發(fā)的聚脲酸酯材料：天固?加固材料。該材料粘度低，具有高度的粘合力、極強(qiáng)的滲透性和很好的機(jī)械性能，反應(yīng)放熱溫度低，密封固化效果突出，反應(yīng)固化時(shí)間為2～5min，并可根據(jù)實(shí)際工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。其主要性能參數(shù)見表1。

表1 注漿材料性能參數(shù)

3.2.3 注漿量的計(jì)算

單孔注漿總量M包括注漿孔內(nèi)的注漿量M1和煤層中滲透擴(kuò)散的注漿量M2，按式(1)計(jì)算：

式中，M為單孔注漿總量，kg；M1為注漿孔內(nèi)的注漿量，kg；M2為煤層中滲透擴(kuò)散的注漿量，kg；ρ為漿液密度，取20kg/m3；η為富裕系數(shù)，通常取1.1～1.2；K為漿液發(fā)泡倍數(shù)，取2；D為鉆孔直徑，m；L為注漿孔長度，m；r1為注漿孔中漿液在煤層中的滲透半徑，由煤層賦存特征和壓裂效果確定，m；l為注漿孔中漿液在煤層中的滲透長度，m；P為煤層孔隙率，取2.5%。

注漿總量Q按式(2)計(jì)算：

V=(L+l)×[π(R2-r2)÷2+A×B-a×b]

(3)

式中，Q為注漿總量，kg；V為加固煤體體積，m3；l為注漿孔中漿液在煤層中的滲透長度，m；R為固化圈外圈半徑，m；r為固化圈內(nèi)圈半徑，m；A為巷道兩幫固化矩形寬度，m；B為巷道底板固化矩形高度，m；a為巷道兩幫未固化矩形寬度，m；b為巷道兩幫未固化矩形高度，m。

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)計(jì)算得出石門附近區(qū)域加固范圍內(nèi)煤體體積約為228.4m3，按留10%的富余量計(jì)算，則需加固煤體體積為254m3；煤層孔隙率按2.5%計(jì)算，在石門揭開地點(diǎn)及石門進(jìn)入巖石段均需要加固，加固煤巖體總體積約為500m3左右；加固材料的發(fā)泡倍數(shù)按2倍計(jì)算，則初步估計(jì)需要加固材料5t。

3.2.4 注漿加固工藝流程

采用ZBQ-14.5/10型氣動(dòng)注漿泵壓注天固?加固材料，注漿壓力在15MPa以上，并達(dá)到設(shè)定注漿量時(shí)，停止注漿，具體施工工藝：打眼→連接注漿管和注射槍→用高壓膠管連接注射槍和注漿泵→將兩根吸管分別插入裝有天固樹脂和催化劑的桶內(nèi)→開泵注漿→沖洗機(jī)具→停泵→拆卸注射槍。

石門注漿加固工藝的施工壓力大，采用FKSJ-65型注漿封孔器進(jìn)行封孔，封孔距離大于1m，注漿鉆孔前端布置2m的注漿花管再連接注漿鐵管，封孔器后端接注漿鐵管，封孔器后端連接的注漿鐵管伸出注漿鉆孔0.1m左右。各注漿鉆孔應(yīng)當(dāng)在孔口封堵牢固后方可向孔內(nèi)注入加固材料。剛開始注漿，注漿量不宜過大，等注漿運(yùn)行穩(wěn)定后，再適當(dāng)增大注漿量。每孔注漿量根據(jù)實(shí)際注漿壓力確定，施工時(shí)必須嚴(yán)格控制注漿壓力，當(dāng)注漿壓力超過10MPa或出現(xiàn)大面積漏漿時(shí)，即可換孔注漿或停止注漿。如長時(shí)間停止注漿，需要用機(jī)油沖洗注漿高壓膠管，清理設(shè)備，防止注漿膠管堵塞。其注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿工藝流程

3.3 預(yù)抽瓦斯

3.3.1 瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)

在石門與K4煤層垂距10m處實(shí)施預(yù)抽瓦斯。預(yù)抽區(qū)域位置包括兩部分：一部分為固化圈內(nèi)的煤體，抽放孔終孔間距設(shè)計(jì)為3m；另一部分為固化圈外至石門外12m的范圍，抽放孔終孔間距設(shè)計(jì)為4m。在石門迎頭位置施工20個(gè)鉆孔，在兩幫耳朵鉆場分別施工10個(gè)抽放鉆孔，鉆孔孔徑為65mm，按設(shè)計(jì)角度及方位角鉆孔，鉆孔長度應(yīng)以穿透K4煤層進(jìn)入頂板1m為準(zhǔn)。采用水泥砂漿封孔，專用封孔泵注漿，封孔深度5m，保證封孔嚴(yán)實(shí)，遇到巖石破碎地帶加大封孔深度至7m。預(yù)抽鉆孔布置如圖4所示。

圖4 預(yù)抽鉆孔布置

3.3.2 瓦斯抽采效果

抽采瓦斯后，監(jiān)測了其中10個(gè)抽采鉆孔，經(jīng)過10d抽采效果數(shù)據(jù)監(jiān)測，抽采鉆孔的瓦斯抽采純量為0.38～0.72m3/min，瓦斯抽采濃度為42.7%～85.8%，K4煤層瓦斯含量從20～25m3/t降低至7m3/t，瓦斯抽采效果良好。

4 效果檢驗(yàn)分析

4.1 檢驗(yàn)指標(biāo)確定

根據(jù)《防治煤與瓦斯防突細(xì)則》要求，防治突出措施實(shí)施后必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)[17]。采用“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)，待現(xiàn)場全部工藝實(shí)施完成后，需對(duì)固化區(qū)域的煤體進(jìn)行防突效果檢驗(yàn)。此次采用最大鉆屑量Smax、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和Δh2、煤的瓦斯放散初速度Δp、煤體堅(jiān)固性系數(shù)f等的綜合指標(biāo)法進(jìn)行效果檢驗(yàn)。如果實(shí)測得到的各項(xiàng)指標(biāo)均在突出危險(xiǎn)性臨界值以下，則可認(rèn)定固化防突快速揭煤技術(shù)措施有效[18]。

4.2 檢驗(yàn)鉆孔布置

在注漿壓力為大于20MPa、10～15MPa的注漿鉆孔附近各布置1個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，在注漿壓力為0～5MPa的注漿鉆孔附近布置2個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，共設(shè)計(jì)4個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，檢驗(yàn)鉆孔布置如圖5所示，檢驗(yàn)鉆孔參數(shù)見表2。

表2 檢驗(yàn)鉆孔參數(shù)表

圖5 檢驗(yàn)鉆孔布置(mm)

4.3 實(shí)測檢驗(yàn)指標(biāo)值

采用綜合指標(biāo)法進(jìn)行效果檢驗(yàn)，其實(shí)測值見表3。經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)都不超標(biāo)，掘進(jìn)至垂距5m和2m處，再次進(jìn)行效果檢驗(yàn)，也不超標(biāo)，表明已經(jīng)消除了突出危險(xiǎn)性。按照規(guī)程進(jìn)行揭煤，整個(gè)揭煤過程共用了20d時(shí)間就安全、順利揭開了K4煤層，而以往石門揭煤采用常規(guī)技術(shù)措施則需2～3個(gè)月。

表3 采用綜合指標(biāo)法檢驗(yàn)實(shí)測值

5 結(jié) 語

通過在鹽井一礦采用“壓裂-固化-預(yù)抽”一體化揭煤技術(shù)進(jìn)行石門揭煤試驗(yàn)，既大大提高了卸壓區(qū)煤體強(qiáng)度，有效抑制了瓦斯?jié)撃艿尼尫?，降低了突出危險(xiǎn)性，又有效縮短了石門揭煤周期，提高了石門揭煤效率，并減少了施工工程量、節(jié)約了成本、緩解了生產(chǎn)接替緊張狀況、減輕了安全投入的壓力，真正實(shí)現(xiàn)了安全快速揭煤，取得了良好的工程實(shí)踐效果。