近距離高應力強突煤層群工作面區(qū)域瓦斯聯(lián)合高效治理技術研究與應用

摘" 要：近距離高應力強突煤層群主要受地應力主導的復合動力災害影響，另加上層理紊亂、煤質極其松軟的軟分層，極大增加了深部強突煤層誘導煤與瓦斯突出的風險?，F(xiàn)如水力沖孔、機械造穴等常規(guī)的增透技術，存在著影響范圍小、衰減速度快、工作量繁重等缺陷，這導致瓦斯治理工程量大、瓦斯治理成本高且整體瓦斯治理效果較差，嚴重制約著礦井的生產接替。為解決深部強突煤層群瓦斯治理難題，該文以平衡或消除地應力為切入點，在平煤股份一礦回采區(qū)域引入高壓注水增透技術。通過工程實踐發(fā)現(xiàn)，高壓注水增透后有效影響半徑為26 m以上；平均單孔抽采純量提高了12.6倍。該工程實踐可為近距離高應力強突煤層群瓦斯高效治理技術提供參考。

關鍵詞：近距離強突煤層群；地應力；高壓注水增透；有效影響半徑；抽采效果

中圖分類號：TD713" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0064-06

Abstract： The close-range high-stress and strong-outburst coal seam group is mainly affected by a compound dynamic disaster dominated by ground stress. In addition， the soft strata with disordered bedding and extremely soft coal quality greatly increase the risk of coal and gas outburst induced by deep strong-outburst coal seam. Conventional enhanced penetration technologies such as hydraulic punching and mechanical hole making have defects such as small influence range， fast attenuation speed， and heavy workload. This leads to a large amount of gas control projects， high gas control costs， and poor overall gas control effect， which seriously restricts the production replacement of mines. In order to solve the problem of gas control in deep strong outburst coal seam groups， this paper takes balancing or eliminating ground stress as the starting point and introduces high-pressure water injection and permeability enhancement technology in the mining area of Pingmei No.1 Mine. Through engineering practice， it is found that the effective impact radius after high-pressure water injection is more than 26m; the average pure volume of single hole extraction is increased by 12.6 times. This project practice can provide reference for efficient gas control technology in close range high-stress and strong outburst coal seam groups.

Keywords： close-range strong outburst coal seam group; in-situ stress; high-pressure water injection to increase permeability; effective influence radiu; extraction effect

近年來，隨著煤炭資源開采逐漸向深部推進，中國平煤神馬集團所轄礦井的開采環(huán)境日益復雜嚴峻。具體表現(xiàn)為，突出礦井的淺部易采資源逐步枯竭，而開采深度則以每年近20 m的速度快速增加，導致許多礦井已經進入千米深度的開采階段。這種深部開采環(huán)境帶來了多方面的挑戰(zhàn)，包括高瓦斯、高應力、高地壓和高地溫等一系列不利因素。這些復雜的地質條件顯著增加了礦井發(fā)生動力災害的風險，尤其是在深部開采過程中，礦井更容易發(fā)生沖擊地壓和煤與瓦斯突出等嚴重的災害，極大威脅到煤礦的安全生產和礦工的生命安全。這些多重安全隱患要求企業(yè)采取更加有效的技術手段和防護措施，以應對不斷升級的開采風險[1-3]。在各種瓦斯災害事故中，煤與瓦斯突出事故尤為嚴重。其突發(fā)性強、危害范圍廣、破壞程度高和傳播速度快等特點，使得煤與瓦斯突出成為我國煤礦中頻發(fā)的惡性事故之一。該類事故不僅具有極高的不可預測性，還常常在極短的時間內造成大范圍的人員傷亡和設備損壞。在我國重大煤礦事故中，瓦斯事故的發(fā)生頻率和因此導致的死亡人數(shù)占據(jù)了絕對多數(shù)，成為制約煤礦安全生產的主要因素之一。這種現(xiàn)象的普遍存在及其嚴重后果，亟需引起各方的高度重視，加強瓦斯防治技術和管理措施的應用，以減少此類災害的發(fā)生頻率并提高應對能力[4]。

深部強突煤層主要受到地應力主導的復合動力災害影響。此外，由于層理紊亂和煤質松軟，深部強突煤層誘發(fā)煤與瓦斯突出的風險顯著增加。針對這一問題，抽盡瓦斯被認為是一項有效的解決措施[5-7]。然而，當前常用的增透技術，如水力沖孔和機械造穴，存在影響范圍小、衰減速度快和工作量大的缺陷[8-12]，這導致瓦斯治理工程量大、治理成本高，整體治理效果不盡理想，進而影響煤礦的開拓進度及采掘接替安排，甚至對安全生產構成威脅。

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦（以下簡稱“平煤股份一礦”）位于平頂山煤田中部，是典型的煤與瓦斯突出礦井，主采丁組和戊組煤層，尤其是戊組煤層面臨著嚴重的瓦斯災害。由于煤層埋深大，地應力和瓦斯壓力都處于較高水平，且煤層透氣性系數(shù)較低，給瓦斯抽采工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。這一系列地質條件的復雜性直接導致礦井面臨鉆探工程量大、瓦斯抽采效率低下、生產接替壓力增大的難題。為解決這些問題，本文提出在平煤股份一礦戊8-32140工作面引入高壓注水增透技術。該技術通過平衡或消除煤層中的地應力，增加煤層透氣性，從而提高瓦斯抽采效果。引入高壓注水增透技術不僅有望減少鉆孔工程量，還能縮短抽采達標時間，在瓦斯治理過程中達到消除煤與瓦斯突出的目的。這為深部高突煤層的安全高效治理提供了可行的技術參考，具有重要的工程應用價值。

1" 試驗工作面概況

戊8-32140工作面位于三水平戊二采區(qū)，東起三水平戊二皮帶下山，西至一礦和六礦的邊界，北鄰戊8-32160工作面（設計）。地面位置位于滑角山西北部，程寨溝灰場大壩北側，地面標高為+150～+264 m，工作面標高為-652～-748 m。在布置方式上，戊8-32140工作面包括機巷和風巷平行布置，風巷與底抽巷的布置方式為外錯中-中50 m，機巷底抽巷與機巷的布置為外錯中-中20 m，工作面中間巷則與機巷和風巷平行。機巷低抽巷、風巷低抽巷和切眼低抽巷均設在戊10煤層底板以下15～20 m的穩(wěn)定巖層中。該工作面的可采走向長度為2 261 m，其中外段長度為918 m，里段長度為1 343 m，外段采長260 m，里段采長190 m，平均采高為2.2 m。外段可采儲量約為72.3萬t，里段可采儲量約為76.2萬t，合計可采儲量為148.5萬t。

主采戊8煤層，戊8與戊9-10煤層平均層間距3～5 m。該工作面實測最大原始瓦斯壓力為4.0 MPa，最大瓦斯含量為11.01 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.032 415 m2/MPa2·d，屬較難抽放煤層。煤層傾角10～16°，平均傾角為13°。由于受到多條斷層的影響，煤層的穩(wěn)定性較差，煤層厚度變化顯著，且斷層附近的傾角發(fā)生了較大幅度的變化。根據(jù)現(xiàn)有已探明地質資料分析，戊8煤層直接頂以泥巖為主，局部為砂質泥巖，厚度6～8.5 m；老頂多為中粒砂巖，灰白色，條帶狀，含泥質包裹體，局部為砂質泥巖，厚度7.0～14.8 m；直接底為深灰色泥巖，含植物化石碎片，常夾有砂質泥巖及細砂巖薄層，局部可能存在煤線。戊8-32140工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

2" 高壓注水增透試驗

2.1" 鉆孔設計

結合該區(qū)域的地質勘探資料與巷道施工的實際情況進行分析，確保研究結果與現(xiàn)場條件相吻合。在戊8-32140中間底抽巷開口58 m處巷道下幫布置一個壓裂鉆孔，依次向里每間隔50 m在巷道下幫各布置一個壓裂鉆孔，孔號編號：中回1#、2#、3#···10#；總計500 m回采區(qū)域，預計高壓注水有效半徑為35 m，按鉆孔間距為50 m共布置10個高壓注水鉆孔，鉆孔終孔位置距煤層底板0.5 m左右，不穿透煤層。

壓裂鉆孔參數(shù)設計見表1。鉆孔布置如圖2所示。

2.2" 封孔工藝

上向高壓注水鉆孔和截流鉆孔均采用“兩堵兩注”帶壓封孔方式。具體封孔流程如下。

1）下放篩管和注水鋼管。帶堵頭的篩管放置注水鋼管前端，下放到鉆孔終孔位置，并保證篩管前端高于煤層底（頂）板1～2 m。戊8煤層的注水鉆孔從全煤段下放篩管，并保證注水鋼管之間以及與篩管之間的高壓密封性。

2）在注水鋼管下放的過程中，囊袋、排水管和注漿管同時下放。囊袋固定在注水鋼管上，和排水管、注漿管一起被放入鉆孔內。內囊袋被安置于戊8煤層頂板煤巖交界處的巖層段，而外囊袋則放置在距離鉆孔口0.5 m的位置。

3）在封孔過程中，采用標號為425及以上的封孔水泥和“U”型膨脹劑，按照4∶1的比例進行混合，并攪拌均勻。注漿壓力不應低于1.5 MPa，且需保壓3～5 min。注漿流程如下：首先，通過囊袋的注漿管進行第一次注漿，注漿完成后靜置30 min；隨后通過注漿管壓風，將囊袋之間積水通過排水管排出；接著通過注漿管進行第二次注漿，待其靜置凝固48 h。鉆孔封孔完成后，需觀測注水鋼管孔口是否有瓦斯流出，以此判斷封孔效果并確?？椎罆惩?。注水孔及截流孔封孔的示意圖如圖3所示。

2.3" 參數(shù)設計

壓裂參數(shù)分析是評估壓裂作業(yè)能否順利進行的關鍵依據(jù)，主要涵蓋泵注壓力和注入液量的分析。在本次試驗中，采用多次少量的循環(huán)壓裂工藝，預計每個鉆孔的壓裂次數(shù)將超過3次。

2.3.1" 泵注壓力的確定

在注水中注水泵的泵注壓力Pw可表示為

Pw=Pk-PH+Pr+Pf，

式中：Pk為煤層的起裂壓力（MPa）；PH為注水管路液柱壓力（MPa）；Pr為注水液沿程摩阻（MPa）；Pf為注水液在管路末端孔眼處的摩阻（MPa）。

戊8-32140工作面埋深為925～1 039 m，根據(jù)相關文獻，該水平最小主應力為20.66～23.58 MPa，最大主應力為46.65～53.84 MPa，最大水平主應力與垂直應力比值為1.06～2.07，起裂壓力約為25.64～36.43 MPa；試驗地點巷道無起伏，注水煤層與泵組的垂直距離為23 m，注水液為清水，本次液柱壓力為0.23 MPa；試驗管路壓力損失為0.2 MPa/百米，本次試驗泵組距離注水孔為164～2 480 m，壓力損失約為0.7～5.3 MPa。因此，經計算得到泵注壓力在27.34～41.62 MPa。

2.3.2" 壓裂量的計算

針對特定煤層，為了提高注水效果，可以通過在注水液中添加適當比例的表面活性劑和阻燃劑，并隨同注水液一起壓入注水孔。然而，本次試驗并不要求添加表面活性劑和阻燃劑。前置液的用量可按照以下公式進行計算

Ｑ＝（Ｒ＋b）2/？濁a2。

在本次設計中，注水半徑R設定為35 m，為確保注水過程的效果，注水量的設計基于該半徑計算，且注水液的效率設定為20%。注水量計算中的系數(shù)分別為a=9.582和b=1.348，根據(jù)這些參數(shù)，前置階段的注水量約為72～93 m3。當前置液的用量達到設計要求時，應開始計量頂替液的使用。為了保證注水作業(yè)的穩(wěn)定性和精確性，頂替液的使用量應嚴格控制，避免出現(xiàn)頂替液用量過多或不足的情況。因此，需要精確計算頂替液的注入時間和用量。頂替液用量的計算公式為

V替=V外+KV管 。

經計算得到本次試驗每個注水鉆孔預計累計注水量在100～150 m3，由于本次試驗采用重復循環(huán)注水工藝，單次注水預計注水量為30～50 m3，戊8煤層注水次數(shù)為3～5次，戊9-10煤層注水次數(shù)為2～3次，具體注水循環(huán)次數(shù)和累計注水量視現(xiàn)場實際情況而定。

3" 效果考察

3.1" 壓裂影響范圍考察

水力壓裂增透范圍的考察方法多種多樣，主要包括以下幾種方式：首先，通過觀察水力增透孔及其兩側巷道的形貌變化，可以直觀判斷影響范圍，這是基于對物理結構變化的直接觀測；其次，通過測試煤體水分含量的變化來評估水力壓裂的影響范圍，因壓裂過程會引入水分，水分含量的變化能夠反映出壓裂效果。此外，利用在水力增透過程中添加的示蹤劑可以更加精準地確定其影響范圍，這種方法依賴化學示蹤劑的分布特性。微地震監(jiān)測法也是一種常用的考察手段，通過記錄壓裂過程中產生的微小地震事件來判斷增透效果及范圍。大地電位測試法則是通過分析巖體電位的變化來評估增透的影響，而瞬變電磁法則通過電磁信號的傳播與反射特性來推斷壓裂范圍，具有較好的穿透性和分辨能力。最后，利用大地電場巖性探測（CYT）技術也能夠有效判斷水力增透的范圍。每種方法各具特點，適用于不同的地質條件和研究需求。為了實現(xiàn)對高壓水力壓裂影響范圍的直觀考察，本項目采用兩側巷道形貌變化作為判定依據(jù)。在水力增透實施前，對增透觀察孔兩側巷道的形貌進行詳細觀察，特別是在構造較為發(fā)育及煤體裂縫明顯的區(qū)域。巷道描述的范圍原則上應距離增透孔至少50 m，具體距離可根據(jù)水力增透的規(guī)模進行適當調整。水力增透后，觀察煤壁是否出現(xiàn)出水現(xiàn)象以及巷道是否發(fā)生變形，以此確定水力增透的影響范圍。

根據(jù)表2以及現(xiàn)場高壓水力壓裂后兩側巷道形貌的記錄，得出以下結論：中回1#孔的有效影響范圍預計超過32 m，中回2#孔的有效影響范圍預計超過38 m，中回3#孔的有效影響范圍預計超過29 m，中回4#孔的有效影響范圍預計超過32 m，中回5#孔的有效影響范圍預計超過35 m，中回6#孔的有效影響范圍預計超過35 m，中回7#孔的有效影響范圍預計超過33 m，中回8#孔的有效影響范圍預計超過28 m，中回9#孔的有效影響范圍預計超過50 m，中回10#孔的有效影響范圍預計超過46 m。因此，經過多次重復的高壓水力壓裂工藝試驗，試驗區(qū)域的高壓水力壓裂有效影響半徑預計均大于26 m。初步評估顯示，壓裂作業(yè)能夠滿足該項目的考核指標（高壓水力壓裂有效影響半徑應大于25 m）。壓裂后兩側巷道形貌情況的記錄詳見表2。

3.2" 抽采效果分析

在注水區(qū)域內施工抽采孔完畢后及時接抽，并對抽采鉆孔定期排水?，F(xiàn)將壓裂區(qū)域下向抽采鉆孔抽采效果與同巷道外端500 m未壓裂區(qū)域下向抽采鉆孔抽采效果作如下對比分析，如圖5和圖6所示。

通過以上數(shù)據(jù)得出，高壓注水后平均瓦斯?jié)舛冗_到25%，相比未進行高壓注水區(qū)域的平均瓦斯抽采濃度6.80%提高3.6倍；平均單孔抽采純量為0.079 m3/min，相比未進行高壓注水區(qū)域的平均單孔抽采純量0.005 m3/min提高15.8倍。

4" 結論

1）當單孔累計注水量達到70 m3時，戊8煤層的高壓注水影響半徑為42 m。高壓注水的工藝參數(shù)如下：泵注壓力為30～45 MPa，單孔注水量為100～150 m3，注水次數(shù)為2～5次，保壓時間為7～15 d，每百噸煤的注水量為1～2 m3。

2）在對抽采鉆孔進行定期排水的前提下，經過高壓注水后，平均瓦斯?jié)舛冗_到了25%。與未進行高壓注水的區(qū)域相比，在相同抽采時間內，平均瓦斯抽采濃度從6.80%提高3.6倍。另一方面，平均單孔抽采純量為0.079 m3/min，相較于未進行高壓注水區(qū)域的平均單孔抽采純量0.005 m3/min，提高15.8倍。

參考文獻：

[1] 袁亮.深部采動響應與災害研究展[J].煤安學報，2021，46（3）：716-725.

[2] 蔡峰，劉澤功.深部低透氣性煤層上向穿層水力壓裂強化增透技術[J].煤炭學報，2016，41（1）：113-119.

[3] 馮松寶，趙梓臣，付銅洋，等.平頂山煤礦煤的物質組成特征研究[J].河北省科學院學報，2015，32（2）：75-80.

[4] 程遠平，劉洪永，趙偉.我國煤與瓦斯突出事故現(xiàn)狀及防治對策[J].煤炭科學技術，2014，42（6）：15-18.

[5] 焦先軍，蔡峰.深部低透氣性煤層水力壓裂強化增透技術研究[J].煤礦安全，2017，48（10）：76-79.

[6] 程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發(fā)展[J].采礦與安全工程學報，2009，26（2）：127-139.

[7] 宮鳳強，趙英杰，王云亮，等.煤的沖擊傾向性研究進展及沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機理[J].煤炭學報，2022，47（5）：1974-2010.

[8] 趙先凱，韓泉勝.朱集西礦機械造穴鉆孔抽采半徑考察及卸壓增透效果分析[J].能源技術與管理，2023，48（4）：40-43.

[9] 劉明舉，孔留安，郝富昌，等.水力沖孔技術在嚴重突出煤層中的應用[J]，煤炭學報，2005，30（4）：451-454，

[10] 李祥春，聶百勝，何學秋.震動誘發(fā)煤與瓦斯突出機理[J]，北京科技大學學報，201，33（2）：149-152.

[11] 郝富昌，孫麗娟，劉明舉.考慮卸壓和抽采效果的水力沖孔布孔參數(shù)優(yōu)化研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31（5）：756-763.

[12] 鳳金.淺埋煤層堅硬頂板深孔預裂爆破技術研究[J].煤炭工程，2015，47（4）：47-49.