穿層水力沖孔措施在低透煤層中有效影響半徑效果考察*

胡　杰，孫　臣

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

0　引言

預抽煤層瓦斯可有效釋放煤中地應力及瓦斯潛能[1]，在一定煤層賦存條件下是一種行之有效的煤層區域消突措施[2,3]。隨著礦井開采深度及規模不斷加大，井下煤層瓦斯地質條件越加復雜和多變，致使瓦斯含量、瓦斯壓力加大且分布不均，并使煤層透氣性系數逐漸降低[4-5]，常規鉆孔進行瓦斯抽采已無法滿足現代礦井高效抽采的需要[6～8]。在這種背景下，水力化措施在低透氣性難抽煤層增透消突中得到了廣泛應用，劉明舉等[9]在嚴重突出煤層采用水力沖孔措施起到了良好的綜合防突效果，且大幅降低了校檢超標率，提高巷道掘進速度；郭臣業[10]等提出了煤層控制水力壓裂概念，實現了目標區域煤層的增透；宋維源等[11]闡述了水力割縫增透抽采瓦斯機理，現場試驗表明水力割縫措施后滲透率大幅度增加，提升瓦斯抽采速度及抽采率。結果表明[12～14]：水力割縫、水力壓裂以及水力沖孔等措施在煤層瓦斯高效抽采中取得了良好的效果，其中執行水力割縫及水力壓裂措施需滿足超高水壓，并對裝置精度、耐壓能力等要求較高，同時高壓注水鉆進過程中在突出煤層可能誘發突出，相比而言水力沖孔卸壓增透措施布置工藝簡單，沖孔時間較短，在低透氣性煤層尤其是在嚴重突出煤層中較其他水力化措施安全性更高[15]。但礦井在采取水力沖孔措施基礎上便直接進行抽采管路接抽，并未對有效影響半徑進行進一步研究，導致抽采鉆孔布置參數不具有針對性及合理性，由于抽采鉆孔間距較大則會形成抽采盲區從而造成安全隱患，而抽采鉆孔間距較小則會增大工程量浪費生產成本，措施執行存在一定的盲目性。基于此，以平煤十三礦為試驗礦井，對水力沖孔措施執行后對低透氣煤層的有效影響半徑進行效果考察，可有效指導抽采鉆孔的參數布置，以提高煤層瓦斯抽采效率，從而加快煤層高效抽采。

1　水力沖孔增大煤層透氣性機理分析

根據巖石力學理論[16]，鉆孔開挖后圍巖應力發生重新分布，形成了卸壓區、應力集中區以及原巖應力區，如圖1所示。根據應力與滲流特征的關系[17]，卸壓區內煤體裂隙擴展，瓦斯能輕易地通過裂隙通道逸散到鉆孔內；而應力集中區內煤體承壓收縮，裂隙閉合，導致瓦斯難以逸散。

A—卸壓區；B—應力集中區；C—原巖應力區圖1　鉆孔應力分布特征示意Fig.1　Drilling stress distribution feature picture

穿層鉆孔水力沖孔措施中是以巖柱作為安全屏障，利用乳化液泵等設備產生的高壓水射流沖刷鉆孔孔壁周圍的煤體，打破其平衡狀態致使大量煤體和瓦斯在水射流作用下由鉆孔排出，并在沖孔區域形成一定的孔洞。如圖2水力沖孔措施前后應力分布特征所示，沖孔前由于單一鉆孔孔徑較小，對照圖1，卸壓區A區覆蓋范圍有限，從而造成瓦斯抽采流量小、濃度低，抽采效果差；執行水力沖孔措施后，孔洞周圍煤體產生膨脹變形，使鉆孔周圍卸壓區A的范圍增大，且A區內煤體裂隙擴展發育，應力逐漸釋放。根據瓦斯徑向流動理論，瓦斯將由壓力大的地方向壓力小的地方運移，致使瓦斯能輕易地通過裂隙通道逸散到鉆孔內，由于卸壓范圍內煤體內的裂隙進一步擴大，增大煤層透氣性系數。

圖2　水力沖孔措施執行前后應力分布特征Fig.2　Stress distribution feature picture before and after the hydraulic punching measures carried out

2　現場試驗考察

2.1　試驗工作面概況

平煤十三礦屬平頂山天安煤業股份有限公司，設計生產能力為1.80 Mt/a，主采煤層為山西組下部己組煤，回采工作面采用鉆孔預抽煤層瓦斯的防突措施，但由于煤層透氣性系數低，瓦斯抽采效果不佳，造成鉆孔施工工程量大，影響生產速率。根據煤層賦存條件及現有采掘條件，選擇在己15-17煤層13051工作面機巷底抽巷內開展水力沖孔有效影響半徑考察工作。13051工作面標高-602～-695 m，走向長1190 m，傾斜長180 m，主采己15-17煤層屬低透氣性煤層，平均煤厚達5.8 m，煤層傾角8～12°，煤層原始瓦斯含量為16.09 m3/t，原始瓦斯壓力值3.6 MPa，經鑒定為突出煤層，13051回采工作面順層抽采鉆孔采用上下順槽對向平行布置方式，抽采難度較大。

2.2　水力沖孔措施現場試驗

為消除煤層賦存變化及地質構造影響，選擇在13051工作面機巷550 m處煤層賦存穩定區域進行水力沖孔措施效果考察。為保證考察結果免受偶然因素影響，設計A，B，C 共3組試驗測試鉆孔，每組鉆孔布置方式相同，組內共設計6個鉆孔，其中1～5#鉆孔為考察鉆孔，開孔點位于機巷內，6#鉆孔為采取水力沖孔的措施孔，開孔點位于機巷底抽巷內，考察鉆孔距離措施鉆孔的距離分別為1.25，3.75，6.25，8.75，11.25 m，組內鉆孔布置方式示意圖如圖3所示。為了避免組間鉆孔相互影響，各組鉆孔間水平間距為25 m，并按照表1中設計參數施工。

圖3　水力沖孔有效影響半徑測試鉆孔布置方式示意Fig.3　Drilling arrangement of effective impact radius based on hydraulic flushing measures

組號鉆孔類型方位/°傾角/°煤孔長度/m鉆孔總長/m封孔長度/mA組措施孔42806.5027.0010.00考察孔421021.0021.0010.00B組措施孔42707.5027.5010.00考察孔42922.5022.5010.00C組措施孔42757.0027.5010.00考察孔421121.5024.5010.00

本次試驗采用鉆、沖、防一體化水力沖孔裝置并配合乳化液泵進行水力沖孔，其中鉆頭為鉆沖自動切換專用鉆頭，通過控制水壓來進行鉆進與沖孔間的切換，水力沖孔工藝可歸納為：當水壓低于0.5 MPa時，正常鉆孔鉆進，鉆頭到達設定位置時，增加水壓至0.5 MPa以上，鉆頭內高壓噴頭出水繼續鉆進實現水力沖孔。根據試驗方案進行鉆孔施工，施工完畢后采用同樣材質的馬麗散對考察孔進行封孔，并將各組中的考察鉆孔連接抽采管路。在執行水力沖孔措施前、執行水力沖孔措施過程中以及措施執行完成后，分別測定了各測試鉆孔的混合流量及瓦斯濃度，并計算出純流量。

3　試驗結果分析

基于現場水力沖孔措施前后瓦斯濃度及純流量對數據的讀取整理，繪制成圖，如圖4所示。

圖4　A組測定結果Fig.4　The determination results of Group A

以圖4為例，A組試驗中1#考察鉆孔瓦斯濃度及純流量沖孔前分別為7.6%及4.56 L/min，瓦斯濃度及純流量沖孔后增加至25%及25 L/min，分別增至沖孔前的3.29倍及5.48倍；2#考察鉆孔瓦斯濃度及純流量沖孔前分別為12.2%及4.88 L/min，瓦斯濃度及純流量沖孔后增加至32%及25.6 L/min，分別增至沖孔前的2.62倍及5.25倍；3#考察鉆孔瓦斯濃度及純流量沖孔前分別為7.8%及3.9 L/min，瓦斯濃度及純流量沖孔后增加至16%及16 L/min，分別增至沖孔前的2.05倍及4.1倍；4#、5#考察孔濃度和純流量基本不發生改變。由此1#、2#和3#考察孔均在水力沖孔有效影響范圍內，而4#和5#考察孔不在水力沖孔有效影響范圍之內，A組試驗的水力沖孔有效影響半徑范圍約在3#和4#考察孔之間，為6.25～8.75 m。同理由圖5：1#、2#考察孔在沖孔前后瓦斯濃度及純流量有明顯成倍增加，均在水力沖孔有效影響范圍內，3#、4#和5#考察孔內濃度和純流量基本未發生變化，B組試驗水力沖孔有效影響半徑范圍約在2#和3#考察孔之間，為3.75～6.25m。同樣由圖6可得：C組試驗的水力沖孔有效影響半徑范圍約在3#和4#考察孔之間，為6.25～8.75 m。

圖5　B組測定結果Fig.5　The determination results of Group B

圖6　C組測定結果Fig.6　The determination results of Group C

通過A，B和C 3組試驗綜合分析，得到十三礦13051工作面己15-17煤層水力沖孔的有效影響半徑為6.75～8.25 m，同時考慮水力沖孔后鉆孔周圍的孔洞會隨著時間的推移逐漸消失，裂隙逐漸閉合，取經驗安全系數0.7，由此水力沖孔實際有效影響半徑應為4.8～5.9 m之間。

4　結論

1)水力沖孔措施可有效降低煤體周圍應力、增大煤層透氣性系數，執行沖孔措施后單孔瓦斯濃度最低提高至2.05倍、瓦斯純流量增至2.56倍以上，解決了低透氣煤層瓦斯抽采效率低下的問題，有效增強防治煤與瓦斯突出的能力。

2)采用瓦斯流量法，通過對A，B，C 3組測試鉆孔的現場考察，確定了穿層鉆孔條件下己15-17煤層水力沖孔有效影響半徑為4.8～5.9 m，可有效指導礦井瓦斯抽采鉆孔合理參數布置，以實現煤層瓦斯高效抽采。

3)采用多組試驗鉆孔耦合考察分析，并結合安全系數提供了1種水力沖孔措施有效半徑的考察方法，可推廣應用于礦井其他生產工作面，對確立煤層瓦斯有效抽采半徑具有一定的指導意義。

[1]于不凡，王佑安．煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M]．北京：煤炭工業出版社，2000.

[2]林柏泉．礦井瓦斯防治理論與技術[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2005.

[3]胡杰，隆清明，李建功，等．順煤層鉆孔瓦斯抽采時空演化規律研究[J]．煤炭科學技術，2017，45(2)：83-88.

HU Jie, LONG Qingming, LI Jiangong, et al. Study on time-space evolution law of gas drainage with drilling along coal seam[J]. Coal Science and Technology, 2017, 45(2):83-88.

[4]文光才，孫海濤．煤礦采動區地面井瓦斯抽采技術[J]．煤礦安全，2015，46(11)：26-30.

WEN Guangcai，SUN Haitao．Ground well gas extraction techniques of mining area in coal mine[J]．Safety in Coal Mines，2015，46(11)：26-30

[5]徐陽．煤礦安全生產面臨的問題及對策[J]．中國安全生產科學技術，2012，8(6)：229-232.

XU Yang. Faced problems and countermeasures of coal mine safety[J]. Journal of Safety Science and Technology，2012，8(6)：229-232.

[6]周世寧，林柏泉，李增華．高瓦斯煤層開采的新思路及待研究的主要問題[J]．中國礦業大學學報，2001，30(2)：111-113.

ZHOU Shining, LIN Boquan, LI Zenghua．New thinking about exploitation of coal seams with high gas content and main problems to be researched[J]．Journal of China University of Mining & Technology，2001，30(2)：111-113.

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

CHENG Yuanping，FU Jianhua，YU Qixiang．Development of gas extraction technology in coal mines of China[J]．Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(2)：127-139

[8]王兆豐，劉軍．我國煤礦瓦斯抽采存在的問題及對策探討[J]．煤礦安全，2005，36(3)：29-32.

WANG Zhaofeng, LIU Jun. The problems and countermeasures of coal mine gas drainage[J]. Coal Mine Safety, 2005, 36(3): 29-32.

[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.

LIU Mingju, KONG Liuan, HAO Fuchang, et al．Application of hydraulic flushing technology in severe outburst coal[J]．Journal of China Coal Society, 2005，30(4)：451-454.

[10]郭臣業，沈大富，張翠蘭，等．煤礦井下控制水力壓裂煤層增透關鍵技術及應用[J]．煤炭科學技術，2015，43(2)：114-118,122.

GUO Chenye, SHEN Dafu, ZHANG Cuilan, et al．Key technology and application of controlled hydraulic fracturing and seams permeability improvement in underground coal mine[J]．Coal Science and Technology，2015，43(2)：114-118,122.

[11]宋維源，王忠峰，唐巨鵬．水力割縫增透抽采煤層瓦斯原理及應用[J]．中國安全科學學報，2011，21(4)：78-82.

SONG Weiyuan, WANG Zhongfeng, TANG Jupeng. Principle of gas extraction by increasing permeability of coal seam with hydraulic cutting and its application[J]．China Safety Science Journal, 2011，21(4)：78-82.

[12]段康廉，馮增朝，趙陽升，等．低滲透煤層鉆孔與水力割縫瓦斯排放的實驗研究[J]．煤炭學報，2002，27(1)：50-53.

DUAN Kanglian, FENG Zengchao, ZHAO Yangsheng, et al. Testing study of methane drainage by bore and hydraulic-cutting seam from low permeability coal seam[J]．Journal of China Coal Society, 2002，27(1)：50-53.

[13]韓穎，宋德尚．低滲煤層高壓水射流割縫增透技術試驗研究[J]．中國安全生產科學技術，2014，10(12)：35-39.

HAN Ying, SONG Deshang. Experimental study on permeability improvement technology by cutting seam using high pressure water jet in coal seam with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology，2014，10(12)：35-39.

[14]劉勇，劉建磊，溫志輝，等．多級破煤水力沖孔強化松軟低透煤層瓦斯抽采技術研究[J]．中國安全生產科學技術，2015，11(4)：27-32.

LIU Yong, LIU Jianlei, WEN Zhihui, et al．Study on technology of hydraulic punching by multi-stage coal breaking for enhancing gas drainage in soft coal seams with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology，2015，11(4)：27-32.

[15]李波，張路路，孫東輝，等．水力沖孔措施研究進展及存在問題分析[J]．河南理工大學學報(自然科學版)，2016，35(1)：16-22.

LI Bo, ZHANG Lulu, KONG Donghui, et al．Hydraulic flushing research progress and its existed problems analysis[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2016，35(1)：16-22.

[16]錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[17]楊威．煤層采場力學行為演化特征及瓦斯治理技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2013.