高壓脈動注水提高瓦斯抽放技術的試驗研究

周曉路

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.冀中能源張礦集團 宣東礦，河北 張家口 075000）

目前，在煤層中應用靜壓注水較普遍，但從現場結果來看，注水效果并不明顯，原因是靜壓注水壓力低、注水半徑小、煤體潤濕效果差。而對動壓注水來說，一般是注水壓力保持基本不變、采用高壓注水泵強制注水；也可利用周期變化壓力的脈動式注水泵強制注水。

應用較少的脈動注水在一定程度上克服了靜壓注水和動壓注水的缺點（如工藝較復雜、防突效果不明顯[1]等）。脈動注水可在煤層中形成槽縫和裂縫、擴大已有裂縫[2]，提高煤體的滲透性、潤濕性、促使瓦斯排放，有利于防止煤與瓦斯突出。

1 煤層概況

宣東礦可采及局部可采煤層5層。主要可采煤層之一的Ⅲ煤層位于上部，埋深800～1 100 m，厚度0.85～6.96 m，平均 2.38 m；煤層瓦斯含量較高（7.2 m3/t）、瓦斯壓力較大（1.6 MPa），屬瓦斯突出煤層。

2 煤層高壓脈動注水試驗方案

高壓脈動注水前后需要測定和檢驗的參數如下：①測定注水前后煤體水分含量：脈動注水前，應在工作面布置1個測點，利用刻槽法取樣測定煤體含水率，其中刻槽大小可選高500 mm×寬100 mm×深50 mm。注水2 d后，仍用刻槽法在注水鉆孔周圍不同位置取樣，測定煤體含水率[3]。②對比分析注水前后的瓦斯涌出情況：在井下進行脈動注水試驗時，應記錄注水開始時間、脈動頻率、注水壓力與時間的變化關系；然后可在地面上，把所需工作面的瓦斯濃度監測數據與時間的變化關系，通過地面瓦斯監測系統采集出來，分析注水過程中的瓦斯涌出特點。③注水前后突出預測、校檢指標對比分析：在工作面前方煤體均勻布置3個42 mm鉆孔，測量鉆孔過程中的鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標K1值，并進行統計對比分析。距注水孔至少0.5 m，其一個鉆孔位于巷道工作面中部、且大致與掘進方向一致，孔深8 m；另兩個鉆孔深度10 m，終孔點與巷道兩側輪廓線外的距離4 m，并向兩側偏角61°。鉆屑量S的測量應是鉆孔每鉆進1 m測定1次，鉆屑瓦斯解吸指標K1值的測量應是每鉆進2 m測定1次。應在注水完成后兩天后進行效果檢驗，效果檢驗孔應選在預測孔周邊的位置。

3 煤層高壓脈動注水現場試驗

1）試驗地點的巷道概況：Ⅲ3煤層三采區軌道上山及回風上山均沿煤層頂板布置，膠帶上山沿煤層布置，試驗地點在膠帶上山煤巷掘進工作面進行。

2）煤層高壓脈動注水試驗的基本參數：煤層注水鉆孔布置圖，見圖 1，鉆孔 1、3、4、6 與工作面兩側的外側偏角86°，鉆孔長度16 m，直徑75 mm，鉆孔2、5與巷道的掘進方向平行，長度16 m。注水時間總計2.5 h，注水總量2.0 m3，注水前瓦斯濃度0.14%。根據防突規定，檢測孔直徑應為42 mm，孔深8～10 m。注水壓力：初始2 MPa，注水過程中最高壓力分別為6 MPa和8 MPa，注水頻率1次/min，注水50 min后，維持一段時間后恢復到6 MPa。2 h后煤壁開始冒汗，高壓、低壓注水壓力分別為8 MPa、2 MPa。

3）現場試驗結果分析，分述如下。

①煤層高壓脈動注水前后煤樣全水分變化情況：采用QTSC-2000微機自動水分測定儀，對煤樣原始全水分和注水后煤樣全水分測定。圖2為不同深度煤體含水率變化曲線，煤體含水量隨深度不同而變化，含水率較高的為距離掘進工作面1～6 m的深度，而在7 m之后趨于平衡，但相對高于未注水煤層原始含水率。

圖2 脈動注水后煤體水分隨深度變化

②煤層高壓脈動注水期間的巷道瓦斯濃度變化：圖3是膠帶運輸上山（外）瓦斯探頭測得的瓦斯變化曲線。瓦斯濃度數據通過瓦斯探頭采集，每隔3 min記錄一次，取該段時間中的最大值當做瓦斯濃度數據。從圖看到注水期間巷道內瓦斯濃度與沒注水前的0.14%相比，有適當的增加，且最大值達0.62%，可見煤層高壓注水能驅逐煤層中的游離瓦斯，使煤層脈動注水期間的巷道瓦斯濃度明顯增加。由圖看出，脈動注水剛開始的一段時間內，驅出的瓦斯量較大，隨著時間的延長，巷道瓦斯濃度慢慢穩定下來，但與注水前和注水后相比，煤層注水過程中巷道瓦斯濃度明顯要高。注水能讓煤體中的瓦斯得到釋放，能較好預防煤與瓦斯突出。在剛開始的階段，巷道瓦斯濃度較高，說明該階段注水驅出來的瓦斯較多。而隨著注水時間的延長，巷道瓦斯濃度逐漸穩定，但可看出注水過程中巷道瓦斯濃度與注水前后相比，要明顯高。煤體濕潤程度影響著瓦斯驅替效果，兩者呈正關系，濕潤程度高低決定著瓦斯驅替效果的好壞，從而影響著巷道內的瓦斯濃度。

圖3 注水期間巷道瓦斯濃度變化

③煤層高壓脈動注水前后的煤層瓦斯含量變化：預測的重要依據是煤層瓦斯含量。表1是脈動注水前后煤層瓦斯含量變化表。由表1可得到，區域措施效果檢驗，注水后噸煤瓦斯含量W由注水前的5.66 m3/t降為3.26 m3/t，表明瓦斯含量顯著減少。

表1 注水前后煤層瓦斯含量變化表

④煤層高壓脈動注水前后突出校驗指標變化：防突區域驗證及局部綜合防突措施均采用“鉆屑指標法”，鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸指標臨界值分別為S＝5.4 kg·m-1、K1＝0.33 mL/（g·min1/2）。圖4和圖5分別為注水前后鉆屑量隨不同位置的變化圖。由注水前后措施檢驗孔測得的突出指標實驗數據可知，注水前K1值最大值0.38 mL/（g·min1/2），超過突出臨界值0.33 mL/（g·min1/2），說明303軌道順槽掘進工作面有煤與瓦斯突出危險，必須執行區域防突措施。而注水后煤層的鉆屑解析指標最大值由原來的0.38 mL/（g·min1/2）下降為0.32 mL/（g·min1/2），鉆屑量S與K1值都沒有超過臨界值，說明煤層高壓脈動注水可有防治煤與瓦斯突出的效果。從圖4發現，距離掘進工作面前方4 m的應力比其兩側的應力要高，表明應力峰值在4 m左右，應力松弛區為0～4 m。而從圖5中得到，應力峰值的位置由注水前的4 m左右變為6 m左右，應力松弛區的位置由0～4 m變為0～6 m，松弛區的寬度增加。由于注水后水的軟化作用使煤體的強度變低、彈性減小、塑性增大，改變了掘進動作面前方的應力分布狀態，煤壁的支承壓力峰值的位置向煤體內部轉移，應力松弛區寬度增加。應力松弛區可以起到減少和阻止瓦斯突出的發生，從而煤層注水后，由于應力松弛區寬度的增加，相應增加了阻擋和抑制瓦斯突出的可能性。因此表明脈動注水較好地阻止了防治煤與瓦斯突出。

圖4 注水前不同位置鉆屑量

圖5 注水后不同位置鉆屑量

4 結論

經在Ⅲ3三采區膠帶上山煤巷掘進工作面，進行煤層高壓脈動注水防治煤與瓦斯突出的試驗，結果表明：煤層高壓脈動注水后，煤層瓦斯含量顯著降低和煤層全水分明顯增加；注水期間注水巷道瓦斯量大幅增加；煤層高壓脈動注水后煤層的鉆屑解吸指標K1最大值降到臨界值以下，以鉆屑量S為指標的應力峰值向煤體內部轉移；據此看出煤層高壓脈動注水可較好起到防治煤與瓦斯突出的作用。