松軟低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)研究

景建強(qiáng)，李佳佳

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

0 引 言

我國(guó)煤礦煤層賦存條件較為復(fù)雜，高瓦斯松軟低透氣性煤層分布廣泛，隨著煤層開(kāi)采深度增加，瓦斯治理難度顯著上升，瓦斯災(zāi)害已成為困擾高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)的主要問(wèn)題。對(duì)于松軟低透氣性煤層的瓦斯治理，目前主要采用保護(hù)層開(kāi)采、地面鉆井壓裂、井下深孔爆破致裂、水力化增透措施等方法改變煤層透氣性[1-3]，但受煤層賦存條件影響和增透技術(shù)使用條件的限制，目前這幾種增透方法存在投入成本高、工序復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施受限性大、工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性不高的問(wèn)題[4-5]。鑒于多數(shù)高瓦斯礦井未系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)抽采工藝研究，因此從鉆孔瓦斯抽采源頭入手，尋求合理的鉆孔抽采工藝和技術(shù)是解決松軟低透氣煤層瓦斯治理問(wèn)題的關(guān)鍵。

本煤層預(yù)抽瓦斯是煤層采掘前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽—掘—采銜接安排，合理選擇鉆孔布置方式、抽采時(shí)間等，提前進(jìn)行打鉆和抽采，并達(dá)到預(yù)期抽采效果。目前垂直煤壁布置的密集鉆孔在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多，受煤層透氣性影響，瓦斯抽采難以達(dá)到預(yù)期效果[6]。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論研究，在原始應(yīng)力平衡巖層中，鉆孔四周重新分布的應(yīng)力超越巖體強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴(kuò)展，產(chǎn)生的塑性區(qū)內(nèi)存在裂隙，可提高鉆孔圍巖體透氣性，有利于瓦斯抽采。本文主要研究如何提高順層鉆孔附近塑性區(qū)的連通性，優(yōu)化鉆孔布置方式，提高開(kāi)采煤層透氣性，有效減少瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

1 工程概況

趙莊礦開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層平均厚度4.55 m，瓦斯含量為6.99～12.73 m3/t。3號(hào)煤層的百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1525～0.4234 d-1，透氣性系數(shù)為0.21～0.46 m2/MPa2·d，處于0.1～10 m2/MPa2·d，屬可抽放類(lèi)型，但透氣性系數(shù)更接近0.1 m2/MPa2·d下限值，透氣性較低。

礦井主要采用順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽，因煤層松軟且透氣性低，鉆孔流量衰減快、有效抽采時(shí)間短，抽采達(dá)標(biāo)困難，嚴(yán)重影響礦井采掘銜接。為了尋求更好的瓦斯防治方法，分別開(kāi)展了順層加密鉆孔抽采、底抽巷穿層鉆孔卸壓增透抽采和地面壓裂增透促抽等試驗(yàn)，試驗(yàn)證明以上措施具有一定的效果，但投入成本高，難以在全礦推廣應(yīng)用。為此，必須從工作面瓦斯預(yù)抽源頭入手，通過(guò)改進(jìn)鉆孔預(yù)抽方式提高鉆孔預(yù)抽效果、修復(fù)預(yù)抽失效鉆孔延長(zhǎng)鉆孔有效抽采時(shí)間，進(jìn)而縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間、提高煤層預(yù)抽率、減少本煤層瓦斯涌出。

2 本煤層預(yù)抽鉆孔布置方式優(yōu)化

2.1 鉆孔周?chē)鷳?yīng)力分布特征

預(yù)抽鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔四周原有的應(yīng)力平衡被打破，鉆孔成孔后，孔周應(yīng)力重新分布，如圖1所示，由孔壁向外應(yīng)力分布依次呈現(xiàn)應(yīng)力降低、峰后應(yīng)力升高、峰前應(yīng)力升高和原始應(yīng)力恢復(fù)，最終形成新的應(yīng)力平衡。新的應(yīng)力平衡狀態(tài)形成后，依據(jù)孔壁應(yīng)力分布情況和煤體變形情況，鉆孔周?chē)后w劃分為松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)I、塑性區(qū)II和彈性區(qū)。其中松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)I位于應(yīng)力降低的卸壓范圍，塑性區(qū)II位于峰前應(yīng)力升高區(qū)域，峰后應(yīng)力升高和原始應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域?yàn)閺椥詤^(qū)[7]。

圖1 鉆孔周?chē)鷳?yīng)力分布及塑性區(qū)Fig.1 Stress distribution and plastic zone around borehole

松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)煤體破裂疏松、裂隙溝通、煤層透氣性增加，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯的有效抽采，形成一定長(zhǎng)度的鉆孔抽采影響范圍；峰后應(yīng)力升高區(qū)域煤體應(yīng)力增大、裂隙受擠壓閉合，阻礙了鉆孔抽采影響范圍進(jìn)一步向外擴(kuò)展。

因此對(duì)鉆孔瓦斯抽采來(lái)說(shuō)，鉆孔施工后形成的松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)越大，鉆孔抽采影響范圍就越大，越有利于提高鉆孔瓦斯抽采效率。鉆孔成孔后周邊存在應(yīng)力集中和破碎區(qū)，選擇合適的布孔間距和布置方式，使兩鉆孔應(yīng)力疊加影響，增大塑性區(qū)范圍，有效覆蓋兩鉆孔之間的煤體區(qū)域。

2.2 抽采半徑考察

鉆孔間距是瓦斯抽采的關(guān)鍵性參數(shù)。鉆孔間距選擇的合理與否直接影響瓦斯治理成本的高低和瓦斯抽采效果的好壞，而鉆孔間距又是根據(jù)鉆孔抽采半徑確定的，一般認(rèn)為抽采半徑與抽采時(shí)間、煤層原始瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)等相關(guān)，每個(gè)礦井的瓦斯壓力、透氣性系數(shù)和抽采時(shí)間都不盡相同，需要根據(jù)礦井實(shí)際情況考察[8]。

采用瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)法在1308工作面進(jìn)行了抽采半徑測(cè)定。如圖2所示，共布置5個(gè)鉆孔，其中1號(hào)孔為預(yù)抽鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，孔深120 m，2～5號(hào)孔為觀測(cè)孔，鉆孔直徑為75 mm，與預(yù)抽孔的間距為1～2.5 m，觀測(cè)孔孔深都為50 m。

圖2 瓦斯抽采半徑測(cè)定鉆孔布置示意Fig.2 Borehole layout of gas extraction radius measurement

鉆孔竣工后，對(duì)抽采孔進(jìn)行正常封孔接抽并監(jiān)測(cè)瓦斯抽采參數(shù)，每天1次；觀測(cè)孔封孔后用孔塞密封，封孔管上留有檢測(cè)孔，每天檢測(cè)孔內(nèi)瓦斯?jié)舛取y(cè)得各鉆孔濃度變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采半徑測(cè)定鉆孔濃度變化趨勢(shì)Fig.3 The variation trend of borehole concentration measured by gas extraction radius

由圖3（a）可以看出，開(kāi)始階段觀測(cè)孔與1號(hào)預(yù)抽孔的瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線均不相似，抽采50 d后，4號(hào)觀測(cè)孔的瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線與1號(hào)預(yù)抽孔濃度曲線基本一致，此時(shí)抽采半徑為1 m。

由圖3（b）可以看出，75 d后2號(hào)觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛扰c1號(hào)預(yù)抽孔濃度曲線基本一致，此時(shí)抽采半徑為1.5 m。

2、4號(hào)觀測(cè)孔明顯受到1號(hào)預(yù)抽空抽采的影響，隨著時(shí)間的推移3、5號(hào)觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛壤^續(xù)下降，處于自然釋放狀態(tài)，90 d后濃度仍在35%以上，與1號(hào)預(yù)抽孔的濃度曲線差別很大。因此鉆孔預(yù)抽90 d后，抽采半徑為1.5 m。

2.3 預(yù)抽瓦斯鉆孔布置方式

根據(jù)抽掘采接替安排，鉆孔預(yù)抽時(shí)間均不小于6個(gè)月，結(jié)合抽采半徑考察結(jié)果，即3個(gè)月（90 d）抽采半徑為1.5 m，設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔間距為3 m。

在13081巷選取了瓦斯賦存條件基本一致的3個(gè)互不影響的獨(dú)立區(qū)域分別開(kāi)展普通平行鉆孔2 m、平行加密鉆孔1 m和立體交叉鉆孔布孔試驗(yàn)[9-10]。試驗(yàn)鉆孔布置如圖4所示。采用“兩堵一注”封孔工藝，通過(guò)向封孔器兩端的囊袋注速凝膨脹水泥，實(shí)現(xiàn)帶壓注漿，封孔段長(zhǎng)度為8 m，封孔時(shí)帶壓注漿壓力可達(dá)1 MPa以上。

圖4 1 308工作面試驗(yàn)鉆孔布置示意Fig.4 1308 working face test drilling layout diagram

（1）普通平行鉆孔。

平行單排布置10個(gè)間距為2 m的鉆孔，鉆孔開(kāi)孔處距離煤層底板1.4 m，鉆孔傾角為3°，設(shè)計(jì)孔深120 m，鉆孔直徑94 mm。

（2）平行加密鉆孔。

平行單排布置10個(gè)間距為1.5 m的鉆孔，鉆孔開(kāi)孔處距底板1.4 m，鉆孔傾角為3°，設(shè)計(jì)孔深120 m，孔徑94 mm。

（3）立體交叉鉆孔。

立體交叉鉆孔布置間距為3 m，施工10個(gè)鉆孔，下排鉆孔開(kāi)孔高度1.4 m，與煤壁夾角85°，鉆孔仰角1°；上排鉆孔開(kāi)孔高度2.2 m，與煤壁夾角75°，鉆孔仰角3°；設(shè)計(jì)孔深120 m，孔徑94 mm。

2.4 瓦斯預(yù)抽效果考察

對(duì)1308工作面3種鉆孔布置方式的抽采效果進(jìn)行考察，每種布孔方式抽采鉆孔濃度和百米鉆孔流量如圖5所示，可知13081試驗(yàn)巷道普通平行抽采鉆孔的平均百米抽采量為0.014 m3/min·hm，衰減系數(shù)為0.027 d-1；平行加密鉆孔的平均百米抽采量為0.0213 m3/min·hm，衰減系數(shù)為0.02 d-1；立體交叉鉆孔的平均百米抽采量為0.0298 m3/min·hm，衰減系數(shù)為0.013 d-1，具體見(jiàn)表1。

表1 不同鉆孔布置方式抽采效果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of extraction effect of different borehole arrangement

圖5 預(yù)抽鉆孔濃度、百米流量曲線Fig.5 Concentration and flowcurve of pre-drainage borehole

對(duì)抽采鉆孔而言，百米鉆孔抽采量越大，抽采效率越高；衰減系數(shù)越小，瓦斯來(lái)源持續(xù)穩(wěn)定，鉆孔有效抽采時(shí)間越長(zhǎng)，瓦斯抽采效果越佳。根據(jù)表1可知，3種布孔方式中，立體交叉鉆孔的百米鉆孔流量最大，分別是普通平行鉆孔和平行加密鉆孔的2.13倍和1.4倍；同時(shí)立體交叉鉆孔衰減系數(shù)最小，說(shuō)明其瓦斯來(lái)源豐富穩(wěn)定，鉆孔有效抽采時(shí)間長(zhǎng)。鉆孔立體交叉布置可以使上下排鉆孔應(yīng)力疊加影響，塑性區(qū)溝通，增大塑性區(qū)范圍，從而提高煤層透氣性、增加瓦斯抽放量；此外與平行孔相比，立體交叉鉆孔布置豎直方向上煤體抽采范圍增大，瓦斯來(lái)源更豐富，支撐鉆孔更長(zhǎng)時(shí)間保持高流量抽采。

綜上所述，立體交叉布置方式可以使鉆孔獲得高抽采流量和低衰減系數(shù)，高抽采流量保證了良好的抽采效率，低衰減系數(shù)又支撐鉆孔長(zhǎng)時(shí)間高效率抽采，因此立體交叉鉆孔布置方式最優(yōu)。

3 本煤層預(yù)抽鉆孔二次修復(fù)

松軟低透氣性煤層鉆孔成孔后，由于煤體自身承載能力弱，抽采一段時(shí)間后，鉆孔內(nèi)部平衡打破，造成孔壁失穩(wěn)坍塌進(jìn)而堵塞抽采通道，導(dǎo)致抽采鉆孔失效，瓦斯抽采量急劇下降、衰減快、抽采效率低、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)[11-14]。

為此提出采用水力洗孔和下放篩管的方式對(duì)失效鉆孔進(jìn)行二次修復(fù)，延長(zhǎng)鉆孔有效抽采時(shí)間，提高抽采效果。

選取預(yù)抽1個(gè)月后抽采純量降至0.01 m3/min以下的鉆孔開(kāi)展鉆孔二次修復(fù)試驗(yàn)。在不破壞原鉆孔封孔情況下打開(kāi)失效鉆孔，采用水力洗孔設(shè)備對(duì)失效鉆孔進(jìn)行清洗，洗孔管深入鉆孔內(nèi)部逐段清洗堵塞鉆孔煤泥，清洗完畢后，立即通過(guò)封孔管向孔內(nèi)下放篩管[15]，鉆孔修復(fù)效果見(jiàn)表2。

表2 鉆孔二次修復(fù)效果Table 2 Secondary repair effect of drilling holes

可以看出，采用該種方法對(duì)鉆孔進(jìn)行二次修復(fù)后，鉆孔平均抽采量由原來(lái)的0.006 m3/min提升至修復(fù)后的0.025 m3/min，鉆孔平均抽采量提高了4.2倍，試驗(yàn)效果明顯，表明鉆孔二次修復(fù)是解決松軟低透氣煤層鉆孔易失效、抽采率低的有效措施。

4 結(jié) 論

（1）抽采半徑考察得出，直徑94 mm的抽采鉆孔，其90 d抽采半徑為1.5 m，設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔間距為3 m。

（2）對(duì)普通平行鉆孔、平行加密鉆孔以及立體交叉鉆孔3種不同布孔方式考察，得出立體交叉鉆孔布孔方式最優(yōu)。立體交叉鉆孔抽采時(shí)，衰減系數(shù)??；抽采能力是普通平行鉆孔和平行密集鉆孔的2.13倍和1.4倍。

（3）鉆孔立體交叉布置可使上下排鉆孔應(yīng)力疊加影響，溝通和增大塑性區(qū)范圍，提高煤層透氣性；鉆孔抽采煤體范圍增大，瓦斯來(lái)源更豐富，支撐鉆孔更長(zhǎng)時(shí)間保持高流量抽采。

（4）采用水力洗孔和下放篩管的方式對(duì)失效鉆孔進(jìn)行二次修復(fù)試驗(yàn)，修復(fù)后鉆孔平均抽采量提高了4.2倍，有效延長(zhǎng)了鉆孔有效抽采時(shí)間，提高了抽采效果。