水力沖孔增透促抽技術(shù)在突出煤層石門揭煤中的應用

譚家貴，李克相，張茂元，郭建忠，盛柱穩(wěn)，孫 京，陳 勇

(1.華能云南滇東能源有限責任公司礦業(yè)分公司白龍山煤礦，云南 曲靖 655508；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭是我國的主要基礎能源，在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的消費比重為50%左右，為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展提供了能源保障。隨著我國煤礦開采逐步向深部區(qū)域延伸，根據(jù)相關(guān)專家學者的資料統(tǒng)計與分析，我國以東北、華東為代表的中東部煤炭開采區(qū)域以10～25 m/a的速度向深部推進并達到800～1 000 m，少數(shù)礦井開采深度達到千米[1]。隨著礦井開拓開采延伸，深部煤巖體“高地應力、高瓦斯壓力、高瓦斯含量、低滲透性”賦存環(huán)境的本真屬性，以及深部開采“強擾動”和“強時效”附加屬性使煤炭開采伴生災害更加難以預測和精準防控[2]。目前，以水力壓裂、水力割縫、水力沖孔為代表的水力化措施已逐步發(fā)展成為礦井開采瓦斯防治的主要技術(shù)手段之一。

陶云奇[3]、馮丹[4]等自主研發(fā)水力沖孔物理模擬試驗系統(tǒng)開展水力沖孔模擬試驗，對比沖孔前后煤層瓦斯抽采過程中壓力演化規(guī)律，分析了沖孔作用對煤層瓦斯抽采達標范圍的影響，同時開展了不同地應力狀態(tài)及水力沖孔條件下的水力沖孔物理模擬試驗；李經(jīng)國等[5]基于水力沖孔現(xiàn)場試驗，采用RFPA2D-Flow軟件模擬了水力沖孔后周圍煤層應力變化過程，并分析了水力沖孔出煤量對煤層應力分布的影響，并認為沖出煤量應在0.40～0.80 t/m為宜；王新新等[6]研究表明，水力沖孔卸壓增透是在沖孔孔洞周圍煤體重新構(gòu)建不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的過程，水力沖孔后孔洞周圍由近及遠形成瓦斯充分排放區(qū)、瓦斯排放區(qū)、瓦斯壓力過渡區(qū)和原始瓦斯壓力區(qū)，在沖孔的卸壓增透區(qū)域經(jīng)歷應力升高、裂隙發(fā)育、應力快速釋放和恢復平衡的過程；王凱等[7]研究了水力沖孔鉆孔周圍煤層透氣性變化與分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)孔洞周圍煤層透氣性的分布規(guī)律與主應力變化趨勢相一致，越靠近鉆孔區(qū)域，煤體應力和瓦斯壓力下降幅度越大，煤層透氣性系數(shù)也就越大；劉曉等[8]基于Bergmark-Roos方程建立了水力沖孔孔洞形態(tài)特征方程并采用Matlab模擬再現(xiàn)了孔洞形態(tài)，以流固耦合和穩(wěn)態(tài)蠕變理論為基礎，采用數(shù)值模擬方法分析了水力沖孔期間和水力沖孔后煤體滲透率的演化規(guī)律；王兆豐[9]、任仲久[10]、劉東[11]等采用理論分析、室內(nèi)電鏡測試和現(xiàn)場工業(yè)性驗證方法，發(fā)現(xiàn)水力沖孔通過宏觀裂隙和微觀孔隙2個層面實現(xiàn)煤體卸壓增透，現(xiàn)場應用表明鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)呈較大幅度降低，抽放鉆孔等效孔徑、鉆孔抽放有效影響半徑、單孔瓦斯預抽濃度等均呈現(xiàn)倍數(shù)增大；王峰等[12]以瓦斯壓力觀測法和抽采參數(shù)監(jiān)測為技術(shù)手段，研究了水力沖孔鉆孔周圍煤體卸壓特征和瓦斯抽采規(guī)律；劉英振[13]、徐東方[14]等開展了煤巷掘進工作面水力沖孔卸壓增透現(xiàn)場試驗與效果考察。

結(jié)合我國高瓦斯突出煤層普遍煤質(zhì)松軟、透氣性差，瓦斯抽采衰減速度快，需要采取附加技術(shù)措施，以改變突出煤層瓦斯區(qū)域預抽濃度低、流量小的現(xiàn)狀。白龍山煤礦一井地處云南省老廠礦區(qū)，煤層構(gòu)造復雜、地應力高,煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力高、透氣性系數(shù)低，煤層突出危險性大，瓦斯災害治理難度大。近距離煤層群賦存(主采煤層層間平均距離均不足20 m)，加之西南地區(qū)地質(zhì)條件較為復雜，給礦井瓦斯抽采提出了更高的技術(shù)要求。為解決礦井石門揭煤期間的煤與瓦斯突出防治與瓦斯高效抽采技術(shù)難題，有效縮短石門揭煤周期、緩解礦井抽掘采接替平衡，在前人研究的基礎上，針對礦井C2煤層石門揭煤開展現(xiàn)場試驗與效果考察，并總結(jié)礦井石門揭煤水力沖孔增透促抽技術(shù)體系，為礦井后續(xù)安全生產(chǎn)和采掘接替提供理論指導與技術(shù)支撐。

1 水力沖孔增透促抽技術(shù)基本原理

水力沖孔是以保護巖柱或煤柱作為安全屏障，向具有自噴能力的煤體鉆孔內(nèi)部利用高壓水作為輸出動力，沖擊并破壞鉆孔周圍煤體，在誘導并控制鉆孔煤體噴出的同時，使鉆孔周邊形成較大的孔洞，促使孔內(nèi)煤體與瓦斯排出，應力重新分布。在應力重塑作用下，孔洞附近煤體應力降低，應力集中向煤體深部轉(zhuǎn)移，孔周附近煤體向鉆孔方向移動，衍生新的煤體破碎區(qū)域、擴展原有裂隙通道，實現(xiàn)煤體卸壓增透促抽的目的[15]。由于煤體滲透率提高，瓦斯流通優(yōu)勢通道逐步形成，鉆孔周圍一定范圍內(nèi)煤體瓦斯吸附解吸動態(tài)平衡被打破；游離瓦斯通過裂隙通道經(jīng)鉆孔涌出，壓力差增大的同時，部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)換成游離瓦斯持續(xù)涌出，在抽采負壓的作用下進一步提高瓦斯的流動性能[16-17]。

水力化措施中的水介質(zhì)作用于煤體后，對煤體產(chǎn)生潤濕效應，降低煤體的彈性模量和抗壓強度，同時使煤體脆性降低、塑性增加，應力得到釋放，煤與瓦斯突出危險性得到有效降低[18]。水介質(zhì)吸附于煤體內(nèi)部，一方面可驅(qū)替瓦斯，另一方面因煤層含水率的增大可一定程度上降低煤體瓦斯解吸速度和解吸量，降低煤體瓦斯供給能力[19]。

2 現(xiàn)場試驗情況

試驗地點為白龍山煤礦一井一號回風斜井C2煤層石門揭煤工作面。巷道凈寬5.50 m，凈高4.35 m，凈斷面積20.70 m2；巷道頂板標高為+1 236～+1 162 m，埋深369.10～538.00 m。區(qū)域內(nèi)C2煤層平均厚度1.40 m，與C3煤層平均層間距8.80 m，為半亮型層位穩(wěn)定的中厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，偶有1層夾矸，以塊煤為主，粉煤次之。由于受構(gòu)造應力影響，煤層局部區(qū)域含有1層厚度0.05 m的構(gòu)造煤。C2煤層經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤層，為測定區(qū)域內(nèi)C2煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力，在施工區(qū)域防突措施前，于2020年7月30日，通過在鄰近巷道輔運大巷施工煤層瓦斯含量取樣鉆孔和測壓鉆孔，測定煤層瓦斯含量為11.465 9 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.81 MPa。

區(qū)域瓦斯抽采鉆孔控制區(qū)域為巷道頂板距煤層底板法距5 m至巷道底板距煤層頂板法距5 m的區(qū)段，控制巷道輪廓線兩側(cè)各12 m，抽采區(qū)域沿走向平距59.50 m。設計施工抽采鉆孔共21排，每排8個，總計168個，鉆孔終孔間距按照3 m×4 m網(wǎng)格式布置，鉆孔工程量10 535 m，鉆孔布置如圖1所示。2020年8月6日開始施工，至2020年11月23日實際施工抽采鉆孔21排，鉆孔數(shù)量170個(補孔2個)，鉆孔工程量9 560 m。為提高瓦斯抽采效果，在區(qū)域措施鉆孔工程完工后，補充采取水力沖孔增透措施。2020年12月23日開始施工，至2021年2月9日，共施工水力沖孔鉆孔12排，鉆孔數(shù)量30個，鉆孔工程量1 502.40 m。所有鉆孔均進行封孔后聯(lián)管接抽。自2020年8月7日第1個鉆孔接抽至2021年3月6日，該區(qū)域累計抽采周期210 d，累計抽采瓦斯量29 602 m3。

圖1 試驗區(qū)域瓦斯抽采鉆孔與水力沖孔鉆孔布置示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 鉆孔沖煤量

水力沖孔鉆孔單孔出煤量越大，鉆孔孔徑擴大倍數(shù)越大，卸壓增透促抽效果越好[20]。水力沖孔鉆孔施工期間對沖煤長度、出煤量等參數(shù)進行了現(xiàn)場考察，相關(guān)參數(shù)見表1，工作面掘進期間揭露的鉆孔沖孔孔洞如圖2所示。

表1 試驗區(qū)域水力沖孔鉆孔出煤量

圖2 試驗區(qū)域水力沖孔孔洞

根據(jù)對24個試驗鉆孔沖煤長度、出煤量的考察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗區(qū)域內(nèi)鉆孔沖煤長度為1.50～2.40 m，平均1.91 m；單孔出煤體積為0.82～1.76 m3，平均1.47 m3；根據(jù)煤體密度1.55 t/m3，單孔出煤質(zhì)量為1.27～2.73 t，平均2.28 t。

3.2 揭煤區(qū)域瓦斯抽采率理論計算

至2021年3月6日，在累計抽采210 d后，對該區(qū)域煤層瓦斯抽采率進行了理論計算。區(qū)域內(nèi)煤層原始瓦斯含量11.465 9 m3/t，煤層平均厚度1.40 m，煤層密度1.55 t/m3，抽采區(qū)域控制長度59.50 m，輪廓線兩側(cè)各12 m，計算得出抽采區(qū)域瓦斯儲量為44 265 m3。根據(jù)累計抽采瓦斯量29 602 m3，可知該區(qū)域煤層瓦斯理論抽采率為66.87%，預抽后煤層殘存瓦斯含量理論值為3.80 m3/t，小于《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定的臨界值8 m3/t。

3.3 揭煤前區(qū)域防突措施效果檢驗

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》相關(guān)要求：采用預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的，必須對區(qū)域防突措施效果進行檢驗，檢驗指標優(yōu)先采用殘存瓦斯含量指標，根據(jù)現(xiàn)場條件也可采用殘存瓦斯壓力或者其他經(jīng)試驗(應當符合細則要求)證實有效的指標和方法進行檢驗。采用殘存瓦斯壓力、殘存瓦斯含量檢驗的，應當根據(jù)實測的最大殘存瓦斯壓力或者最大殘存瓦斯含量按細則要求對被保護區(qū)域的保護效果進行檢驗。根據(jù)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量進行區(qū)域防突措施效果檢驗的臨界值見表2。采用穿層鉆孔預抽井巷揭煤區(qū)域煤層瓦斯時，也可以參照細則采用鉆屑瓦斯解吸指標進行措施效果檢驗。采用鉆屑瓦斯解吸指標法預測井巷揭煤工作面突出危險性時，由工作面向煤層的適當位置至少施工3個鉆孔，在鉆孔鉆進到煤層時每鉆進1 m采集一次孔口排出的粒徑1～3 mm的煤屑，測定其瓦斯解吸指標K1值或者Δh2值。

表2 根據(jù)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量進行區(qū)域防突措施效果檢驗的臨界值

根據(jù)相關(guān)要求和現(xiàn)場條件，選取殘存瓦斯含量和殘存瓦斯壓力2個指標進行區(qū)域防突措施效果檢驗。2021年1月至3月，在二號繞道、輔運大巷分別向預抽區(qū)域施工5個區(qū)域防突措施效果檢驗鉆孔，分別對C2煤層取樣并采用中煤科工集團重慶研究院有限公司生產(chǎn)的DGC瓦斯含量測定裝置實測預抽后的煤層殘存瓦斯含量，測得煤層殘存瓦斯含量最大值4.251 7 m3/t，殘存瓦斯壓力最大值0.34 MPa。各檢驗鉆孔殘存瓦斯含量測值見表3。

表3 一號回風斜井C2煤層各檢驗鉆孔殘存瓦斯含量

同一采區(qū)、同一煤層(101采區(qū)下部車場石門揭露C2煤層)采用普通抽采方式，實測原始瓦斯含量12.084 3 m3/t，經(jīng)過210 d抽采后，煤層殘存瓦斯含量為5.600 6～6.724 1 m3/t，含量依然偏高，若此時選擇放炮掘進，易導致炮后瓦斯?jié)舛瘸蓿L險較高。普通抽采措施殘存瓦斯含量見表4，水力沖孔措施與普通抽采措施210 d的殘存瓦斯含量對比曲線如圖3所示。

表4 101采區(qū)下部車場C2煤層各檢驗鉆孔殘存瓦斯含量

圖3 水力沖孔措施與普通抽采措施殘存瓦斯含量對比

3.4 揭煤期間瓦斯參數(shù)

區(qū)域防突措施效果檢驗有效后，在掘進至距煤層法距2 m前對無突出危險區(qū)域進行區(qū)域驗證，當區(qū)域驗證為無突出危險時，在采取安全防護措施后進行采掘作業(yè)。對揭煤區(qū)域的區(qū)域驗證，采用鉆屑瓦斯解吸指標法進行。根據(jù)揭煤前距煤層法距2 m的區(qū)域驗證結(jié)果，鉆屑瓦斯解吸指標K1值最大值為0.18 mL/(g·min1/2)，鉆屑量最大值為2 kg/m。

揭煤期間工作面共開展區(qū)域預測/效果檢驗13次，鉆屑瓦斯解吸指標K1值最大值為0.32 mL/(g·min1/2)，鉆屑量最大值為2 kg/m；工作面瓦斯監(jiān)控T1探頭測得瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)為0.04%～0.07%，炮后瓦斯?jié)舛葹?.04%～0.24%。根據(jù)作業(yè)期間通風情況，支護與出矸石作業(yè)期間工作面風量為438 m3/min，放炮期間工作面風量為924 m3/min，根據(jù)工作面通風情況和瓦斯?jié)舛惹闆r可知，工作面瓦斯涌出量最大值為2.22 m3/min。

3.5 揭煤周期

在總結(jié)白龍山煤礦一井歷次揭煤經(jīng)驗的基礎上，針對一號回風斜井石門揭煤工作面采取水力沖孔增透技術(shù)措施，揭煤期間加強過程管控，自2021年3月11日揭露至2021年4月9日順利揭過C2煤層，共計30 d，其中包括作業(yè)期間拆除刮板輸送機，安裝膠帶機、刮板機等耗時5 d，實際揭煤時間25 d。

4 結(jié)論

1)在滲透性較低且煤質(zhì)較為松軟的C2煤層中，水力沖孔出煤量較大，鉆孔單孔出煤體積0.82～1.76 m3，出煤量1.27～2.73 t，平均2.28 t。

2)采取水力沖孔措施后，經(jīng)210 d連續(xù)抽采，試驗區(qū)域煤層瓦斯含量由11.465 9 m3/t降低至3.551 1～4.251 7 m3/t，下降約63%；瓦斯壓力由0.81 MPa降低至0.34 MPa，下降約58%；普通抽采措施，在相同抽采周期內(nèi)煤層瓦斯含量由12.084 3 m3/t降低至5.600 6～6.724 1 m3/t，下降約44%；通過對比發(fā)現(xiàn)水力沖孔措施在石門揭煤區(qū)域增透促抽效果較為明顯。

3)水力沖孔增透促抽技術(shù)在松軟突出煤層中應用效果較好，水力沖孔后試驗區(qū)域揭煤期間工作面鉆屑瓦斯解吸指標K1值最大值0.32 mL/(g·min1/2)，鉆屑量最大值2 kg/m，炮后瓦斯?jié)舛?.04%～0.24%，瓦斯涌出量2.22 m3/min，實際揭煤周期25 d，實現(xiàn)安全快速揭煤。

4)試驗區(qū)域C2煤層堅固性系數(shù)0.20～0.40，圍巖堅固性系數(shù)4～6，水力沖孔措施水壓15～20 MPa，通過掘進過程中對沖孔痕跡和圍巖情況觀察，現(xiàn)有水力沖孔技術(shù)參數(shù)對C2煤層頂?shù)装寤鶐r完整性無較大影響。