低滲透性煤層增透技術試驗研究

陳紹祥

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 40037）

0 引言

貴州地區(qū)受復雜地質構造運動作用，該區(qū)域煤層具有煤層層數(shù)多、層間距近、煤層厚度及傾角變化大、賦存穩(wěn)定性差、煤層滲透性低、瓦斯大的特點。該特點給礦井瓦斯災害防治帶來極大困擾，造成瓦斯災害事故頻發(fā)。為了有效治理瓦斯災害，相關煤炭工作者一直致力于尋找適合該地區(qū)瓦斯治理的新方法、新技術，曾先后在不同礦區(qū)嘗試過水力沖孔[1-2]、水力壓裂、注氣驅替[3]等技術，效果均不理想。

近年來，國內(nèi)CO2預裂技術和深孔爆破預裂技術取得長足進展，在多個礦區(qū)推廣應用。張繼兵、高云[4]將CO2預裂技術運用到松軟煤層的瓦斯治理上，考察結果顯示，預裂后抽采濃度、抽采純量均提高1倍多，與傳統(tǒng)的增透方式相比在安全性、時效性存在較大優(yōu)勢。趙龍、王兆豐[5]等人在高瓦斯低透氣性煤層中引入了CO2預裂增透技術，試驗結果表明:預裂后抽采衰減周期至少延長2倍以上，可有效提高煤層瓦斯預抽效果。婁亞北、馮利民[6]等人等過數(shù)值模擬結合理論分析，發(fā)現(xiàn)深孔爆炸壓力產(chǎn)生的壓縮波與拉伸波驅動裂紋擴張，反復作用加劇煤體的破壞，裂隙不斷擴展改善了煤層透氣性。馬小濤、李智勇[7]等人通過蘆嶺煤礦II1048工作面現(xiàn)場試驗，優(yōu)化了高瓦斯低透氣性煤層鉆孔布置、爆破及工藝設備等具體參數(shù)，預裂爆破后，增大了抽采半徑和透氣性系數(shù)，抽采效率成倍增加。本文將2種增透技術同時引入，在本煤層做增透對比試驗，選擇增透效果更好的增透技術運用到礦井其他采掘工作面。

1 礦井概況

試驗地點選擇在貴州綠塘煤礦南二采區(qū)6中煤層S204工作面。該礦為典型的近距離低透氣煤層群復雜地質開采條件的突出礦井，可采煤層自上而下有6中、6下、7、10、16、26和33共7層煤，平均厚度分別為2.8、0.76、0.95、0.71、1.75、0.78、1.50 m。礦井主采6中煤層，煤層瓦斯含量4.9～18.23 m3/t，瓦斯壓力0.29～2.12MPa，瓦斯放散初速度△P11～43，煤的堅固性系數(shù)0.16～0.47，煤層透氣性系數(shù)為0.3424～1.2752 m2/（MPa2·d），煤層平均傾角6°。由于6中煤層與下伏煤層間距太近，工作面無布置底板瓦斯抽放巷條件，只能將瓦斯抽放巷布置在距6中煤層頂板約15 m左右的粉砂巖中。然而生產(chǎn)實踐表明，6中煤層透氣性差，煤質松軟，而且頂板上方有遇水易發(fā)生膨脹、崩裂的泥巖，在施工下向瓦斯抽采鉆孔時，極易導致鉆孔塌孔和堵孔，致使抽采鉆孔瓦斯抽放濃度低、消突及抽采達標時間長，極大的制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。為了增加煤層透氣性，提高抽采率，實現(xiàn)快速掘進，特引進增透技術。

2 增透研究現(xiàn)場實施

CO2預裂增透和深孔爆破預裂增透各有優(yōu)缺點，并在不同礦區(qū)都取得了不錯的試驗效果。為了選擇安全高效、且適合本礦地質條件的增透方式，將CO2預裂增透和深孔爆破預裂增透放在同一地質單元做預裂增透效果對比考察，效果較好的增透方式將在全礦推廣運用。

2.1 增透研究現(xiàn)場實施方案

從南二采區(qū)S204回風巷左邦H3導線點向前12 m處開始布置預裂鉆孔，依次為CO2預裂孔、測試孔（測試煤層原始參數(shù)）、深孔爆破預裂孔。為防止試驗的偶然性，CO2預裂孔和深孔爆破預裂孔各設計3組，每組1個預裂孔和5個抽采孔，抽采孔距預裂孔間距分別為3、4.5、6、7.5、9 m，組間距5 m，2個測試孔距兩邊抽采孔10 m，2個測試孔間距4 m。試驗孔布置如圖1所示。

圖1 考察孔布置示意圖

2.2 CO2預裂增透技術現(xiàn)場實施

1）鉆孔施工。為了能在相同孔徑下進行對比，測試孔、預裂孔、抽采孔均采用750鉆機、?75 mm的鉆桿配?94mm鉆頭施工；為避免鉆孔塌孔，在預裂完成后，全程下篩管，并采用“兩堵一注”封孔連抽。

鉆孔施工順序：先施工2個測試孔，再施工第1組、第2組、第3組的預裂孔；最后施工考察孔并進行連抽；考察孔施工順序：各組考察孔均從距離預裂孔最遠位置開始，1號→5號→2號→4號→3號。

2）CO2預裂情況。第1組預裂孔下致裂器28 m，封孔深度15 m；第2組預裂孔下致裂器28 m，封孔深度10 m；第3組預裂孔下致裂器26 m，封孔深度15 m。預裂過程中，由于第2組預裂孔附近有廢孔，用水泥漿封堵時間較短，預裂過程中有穿孔現(xiàn)象，第1組、第3組正常預裂。

2.3 深孔爆破預裂增透技術現(xiàn)場實施

先施工預裂孔，再施工預裂孔兩邊的抽采孔，預裂孔和抽采孔的深度不小于80 m，孔徑均為94 mm。為確保預裂孔裝藥順利進行，預裂孔施工到位退鉆結束后必須及時進行裝藥，否則推遲退鉆時間；預裂孔全孔進行裝藥后，外部留不少于6 m裝填封泥或其他不燃性封孔材料，預裂孔封孔采用壓風封孔器進行，封孔材料為粒度小于Φ5 mm的干粘土（噴水）或水泥粉煤粉混合不燃性材料。抽采孔施工順序無具體要求，施工完畢后立即封孔接抽，封孔長度不小于15 m。

3 增透效果對比考察

本次試驗的目的是通過對比CO2預裂、深孔爆破預裂的增透效果，將效果較好的增透方式運用到其它采掘工作面，效果考察包括增透前后瓦斯抽采流量、瓦斯抽采濃度、煤層透氣性系數(shù)及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層殘余瓦斯含量等。

3.1 鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采流量考察

所有鉆孔封孔接抽后，每天攜帶瓦斯抽放綜合參數(shù)測定儀對各鉆孔的瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量、負壓等參?shù)進行測定。經(jīng)統(tǒng)計分析，CO2預裂、深孔預裂爆破、未預裂（測試孔）鉆孔瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采流量變化曲線如圖2所示。

圖2 瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采量變化曲線圖

由上圖可知，煤層預裂后，瓦斯抽采濃度和流量有顯著提高，在前43 d內(nèi)，未預裂鉆孔平均瓦斯抽采濃度為30.5%，平均抽采流量0.053 m3/min；CO2預裂孔平均瓦斯抽采濃度74.4%，平均抽采流量0.215 m3/min；深孔爆破預裂孔平均瓦斯抽采濃度51.0%，平均抽采流量0.161 m3/min。CO2預裂平均抽采流量是深孔爆破預裂平均抽采流量的1.34倍，是未預裂平均抽采流量的4.06倍。

3.2 透氣性系數(shù)及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)考察

煤層透氣性系數(shù)測定采用徑向流量法，待測鉆孔瓦斯涌出穩(wěn)定后，用煤氣表測試不同時間間隔的流量，連續(xù)測試7 d。鉆孔瓦斯自然流量衰減系數(shù)可以作為評估開采煤層瓦斯預抽的難易程度的一個標志，本次利用煤氣表測定鉆孔瓦斯流量，并測其隨時間的變化值，直到穩(wěn)定在某一數(shù)值為止，根據(jù)瓦斯自然流量測定結果，采用回歸公式qt=q0e-βt計算衰減系數(shù)β；本次考察測定了第1組、第2組CO2預裂孔、測試孔、第1組、第3組深孔爆破預裂孔透氣性系數(shù)及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，考察結果見表1。

表1 透氣性系系數(shù)及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)考察結果表

表1中測試1、測試2的透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減性系數(shù)代表原始煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減性系數(shù)。煤層經(jīng)過預裂后，在高壓氣體和炸藥的作用下，鉆孔周圍裂隙擴張，透氣性提高，在抽采負壓的作用下，瓦斯流動性增強，衰減減慢；CO2預裂后，透氣性系數(shù)是原始煤層的2.93倍，是深孔爆破預裂的1.88倍；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)比原始煤層降低了42.5%，比深孔爆破預裂降低了13.1%。

3.3 抽采后殘余瓦斯含量考察

煤層增透抽采45 d后，進行殘余瓦斯含量檢測，一方面為了考察增透抽采效果，另一方面考察預裂增透有效影響半徑，為后期鉆孔布置提供依據(jù)。殘余瓦斯含量取樣孔布置在抽采孔中間，1～5號取樣孔分別距預裂孔7.5、4.5、1.5、2.25、6 m，取樣孔深30～40 m，取樣孔鉆孔布置圖如圖3所示，殘余瓦斯含量檢測結果見表2。

圖3 殘余瓦斯含量取樣孔鉆孔布置圖

根據(jù)預裂區(qū)域殘余瓦斯含量檢測數(shù)據(jù)及表2分析，距離預裂孔越近，抽采效果越好，在CO2預裂孔4.5 m范圍內(nèi)，殘余瓦斯含量均小于8.0 m3/t；距離CO2預裂孔6、7 m處殘余瓦斯含量超過8.0 m3/t，最大值達到13.12 m3/t，因此CO2預裂有效影響半徑（抽采45 d）在4.5～5m之間。在深孔爆破預裂孔2.25 m范圍內(nèi)，殘余瓦斯含量小于8.0 m3/t，其余均大于8.0 m3/t，因此深孔爆破預裂有效影響半徑（抽采45 d）在2.25～2.5 m之間。

表2 殘余瓦斯含量檢測表

4 結論

1）通過與原始煤層對比，采取CO2預裂、深孔爆破預裂措施后，抽采效率大幅度提高；而CO2預裂、深孔爆破2種預裂增透方式中，CO2預裂增透效果占明顯優(yōu)勢。

2）通過殘余瓦斯含量考察，CO2預裂增透技術有效影響半徑為4.5 m，能為后期鉆孔布置提供依據(jù)，同時也能降低礦井瓦斯治理的經(jīng)濟成本和時間。