突出煤層先注后沖防噴孔消突技術研究*

趙發軍，郝富昌，劉明舉

(1.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000； 3. 煤炭安全生產河南省協同創新中心， 河南 焦作 454000)

數字出版日期： 2017-04-21

0　引言

近年來，越來越多的煤與瓦斯突出煤層采用穿層孔水力沖孔(割縫)來增加煤層透氣性。伴隨水力化措施的應用，穿層孔施工和水力化措施期間的瓦斯噴孔成為區域防突和防瓦斯超限的重點[1-6]。文獻[6]認為保證10 m的安全巖柱并在鉆孔口安設導噴裝置可有效控制瓦斯噴孔，同時指出提高沖孔壓力和鉆孔孔徑會增加瓦斯噴孔概率；文獻[2]對比了“強水快割”和“細水慢割”2種水力割縫方式對瓦斯噴孔的影響，確定了水力割縫的合理水壓和進鉆速度；文獻[3，4]則重點研制了針對瓦斯噴孔的導噴或防噴裝置；文獻[7]報道了通過改變施工順序可使噴孔強度降低40%。這些研究對瓦斯噴孔的防治有現實意義。

水力沖孔(割縫)等措施利用瓦斯噴孔達到快速從鉆孔中泄出煤體、釋放瓦斯的效果[8]，但高強度的瓦斯噴孔像煤與瓦斯突出一樣，會損壞鉆具、致人傷亡[3, 9]或導致作業區大面積瓦斯超限，因此需要從根本上防治高強度的瓦斯噴孔。在孔口設置導噴或防噴裝置雖然可抑制噴孔和防止作業區瓦斯超限，但高強度噴孔會摧毀這些裝置、引起次生傷害，同時這些裝置將孔密閉，無法觀察孔內情況，也是鉆進作業的隱患。

文獻[6]研究認為地應力和瓦斯壓力對煤體的破壞、粉碎和拋出，以及瓦斯急劇膨脹和推動煤體導致了瓦斯噴孔的發生。文獻[10]從經典力學分析的角度，給出了瓦斯煤體發生位移時的力學平衡方程。這些研究均考慮瓦斯壓力對煤體做功是瓦斯噴孔發生的基礎條件，而瓦斯緩慢從煤體中釋放并不對煤體做功。因此，減緩煤體中瓦斯的解吸和滲流速度是防止瓦斯噴孔的有效方法。本文主要研究考查在煤層中注水來減輕瓦斯噴孔和快速消突的技術。

1　實驗區概況

新安礦二1煤層為豫西“三軟”煤層，共發生過13次瓦斯動力現象。14211掘進工作面煤層傾角5～11°，煤層厚度平均3 m，煤層瓦斯含量8.50～10.75 m3/t，煤的堅固性系數0.06～0.45。施工穿層鉆孔和水力沖孔期間經常出現瓦斯噴孔導致的生產中斷、作業地點瓦斯超限。

2　水對煤體瓦斯的影響

2.1　煤樣制備

在14211工作面采集煤樣后，篩取1～3 mm粒度煤樣裝入密閉容器中以防氧化；并測定煤樣的堅固性系數、瓦斯放散初速度和煤質工業分析等基本參數見表1。

表1　煤樣基本信息

2.2　實驗系統

實驗系統為自制，實驗系統原理見圖1。系統可分為吸附、控溫、抽真空和解吸4部分。實驗過程為先對煤樣抽真空8 h；然后對煤樣充入純度為99.99%的甲烷氣體并吸附8 h，煤樣吸附平衡后開始瓦斯解吸實驗，實驗過程為恒溫。

圖1　實驗系統Fig.1　Schematic diagram of experimental system

2.3　實驗數據

將前期制備的煤樣進行干燥或浸泡，分別制備成干燥煤樣(含水0.90%)、原煤樣(含水3.11%)、濕煤樣(含水5.40%)和平衡水煤樣(含水6.25%)。含水率不同煤樣制備過程中，稱重采用瑞士梅特勒Κ104-IC型電子天平(精度0.1 mg)，煤樣干燥采用上海精宏DZF-6210型干燥箱。干燥煤樣制備：將煤樣100 g放入干燥箱中干燥48 h后稱重，以后每間隔4 h稱重一次，直至恒重；平衡水煤樣制備：將煤樣100 g置于含過飽和K2SO4溶液的恒溫箱(上海一恒，DHG-9245A型)中，48 h后稱重，以后每間隔8 h稱重一次，直至恒重；濕煤樣制備：將平衡水煤樣100 g放入干燥箱中干燥6 h后測定水分。在實驗系統溫度(30±1℃)和煤樣吸附平衡壓力(0.5 MPa)條件下，進行吸附-解吸實驗，結果如圖2。實驗表明：隨水分增加瓦斯氣體的吸附量、解吸量、解吸速度和解吸初速度均減小。

圖2　不同含水率煤樣的瓦斯解吸對比Fig.2　Comparison of gas desorption of coal samples with different water content

含水率與鉆屑瓦斯解吸指標的實驗數據見表2，表中Mad為煤樣含水率，%；P為煤樣的吸附壓力，MPa；K1為吸附平衡壓力下測定的鉆屑瓦斯解吸指標，mL·(g·min0.5)-1。

2.4　數據分析

在表2中將吸附壓力和鉆屑瓦斯解吸指標進行線性擬合后，可預測鉆屑瓦斯解吸指標為0.5 mL·(g·min0.5)-1時，煤樣含水率從低到高對應的吸附壓力為1.57 MPa，1.44 MPa，0.22 MPa和0.074 MPa，根據該數據和表2得到鉆屑瓦斯解吸指標達0.5 mL·(g·min0.5)-1或瓦斯壓力達0.74 MPa時(《防治煤與瓦斯突出規定》推薦的臨界值)，該二項指標與煤樣水分之間的關系見圖3。

表2　吸附壓力與鉆屑瓦斯解吸指標對應值

圖3　臨界值時的瓦斯參數與含水率的關系Fig.3　Relationship between gas parameters and water content under critical state

圖3表明當煤中水分大于原始水分后，臨界值的參數將快速下降，煤體中的瓦斯需要通過解吸和滲透泄漏。圖2表明隨含水率增加，瓦斯從煤體中解吸的初速度減小。因此煤樣含水率增加后瓦斯解吸的初速度小、解吸總量小且持續時間長，故不易誘發瓦斯噴孔。

煤中的水分可分為外在水分、內在水分和化合水3種。實驗增加的是外在水分，該部分水分主要附著在煤的顆粒表面、大孔和中孔中(孔直徑大于100 nm)，直徑小于100 nm的過渡孔和微孔中水分子較難進入。煤樣干燥后，由于毛細孔吸附力的作用，內在水分不易蒸發，煤樣失去的也是外在水分。故實驗研究的是外在水分對瓦斯的影響，水分改變了煤的表面超能，煤層注水后外在水分變化最大，水分子占據了煤表面的位置，煤的表面張力和表面超量下降，未吸附自由能小，瓦斯解吸速度減小、瓦斯噴孔概率小。

3　注水效果現場考察

3.1　鉆孔設計

14211掘進工作面的底板巷共設計13 個鉆場，每個鉆場設計20個鉆孔掩護巷道掘進，鉆孔每4個一組，共5組，剖面圖見圖4，各鉆場鉆孔參數相同。其中2～8#鉆場只進行水力沖孔實驗，9～13#鉆場實施先中高壓注水后水力沖孔實驗。

圖4　水力沖孔鉆孔剖面Fig.4　Profile diagram of hydraulic punching hole

中高壓注水孔斜向上穿層(圖5)，中孔于煤層頂板1 m處。注水孔與水平面夾角20.3°，直徑75 mm，采用水泥砂漿封孔，封孔深度大于18 m，注水泵額定壓力為31.5 MPa。

圖5　中高壓注水孔剖面Fig.5　Profile diagram of high-pressure water injection hole

進行中高壓注水的9～13#鉆場在施工設計鉆孔前，先施工中高壓注水孔并對煤層進行注水，注水至注水管壓力表示數下降時終止。注水結束24 h后，施工設計鉆孔并進行水力沖孔。現場記錄中高壓注水參數見表3，表中最大壓力為注水管壓力表記錄壓力，注水后底板巷可見巖石開裂和頂板下沉，實測影響半徑為26 m。

表3　中高壓注水孔施工參數

3.2　實施和效果

各鉆場水力沖孔的水壓為3～3.5 MPa，沖孔工藝為先將煤層鉆穿，后采用專用鉆頭導引高壓水從煤層中沖泄出煤和瓦斯。表4的成孔指沖孔前施工達設計要求的鉆孔，瓦斯噴孔或卡鉆等導致鉆孔未達設計要求的未統計。

表4　鉆孔施工情況統計

表5是沖出煤量的對比，表6是沖孔后抽采15 d時殘余瓦斯含量對比。

表5　2種措施沖出煤量對比

表6　殘余瓦斯含量對比

表4、表5和表6表明：①中高壓注水后施工鉆孔的噴孔率下降39%，成孔率提高32%，瓦斯噴孔強度下降。②2-8#鉆場沖泄總煤量為482.6 t，平均每鉆場沖泄68.9 t；9-13#鉆場采用先注后沖技術后沖泄總煤量為777.5 t，平均每鉆場沖泄155.5 t，先注后沖技術沖泄煤量提高2.3倍。③采用先注后沖技術后，沖泄煤量從占控制范圍內原煤總儲量的2.2‰～7.4‰提高到8.7‰～14.1‰，《防治煤與瓦斯突出規定》推薦的保護層膨脹變形量指標的臨界值為3‰，數據說明中高壓注水結合水力沖孔可達到保護層開采的效果。③抽采15 d后，2-8#鉆場殘余瓦斯含量2.5～6.1 m3/t，平均抽出率為55.3%；9-13#鉆場殘余瓦斯含量1.9～4.7 m3/t，平均抽出率為65.7%，抽出率平均提高10.4%；說明2種技術均可實現區域消突，注沖結合消突效果更好。

新安礦的現場應用表明，“先注后沖”與傳統沖孔工藝相比，由于掘進速度提高，掘進期間的通風、排水和人工費相對下降，百米煤巷道的掘進綜合費用降低0.3萬元，經濟效果較好。

4　討論

黃旭超等[11]對鉆孔周圍煤體應力和失穩進行分析后認為不考慮蠕變時，鉆孔應力變化導致煤體具有破壞失穩階段，當支承應力無法向孔深部轉移時，在瓦斯壓力作用下，煤壁將失穩并被拋出。郝富昌等[12]從流變特性考慮孔徑變化，分析孔的失穩破壞和瓦斯排采通道問題。文獻[10]認為煤體失穩時的力平衡方程如式1所示。這些研究指出應力和瓦斯壓力是噴孔的動力。

(1)

式中：δx + dx-δx為應力梯度，MPa；Px+dx-Px為瓦斯壓力梯度，MPa；λ為側向壓力系數；Rc為煤體的單向抗壓強度，MPa；δz為垂直應力，MPa；N為孔壁的支承力，MPa；C為煤的黏聚力，MPa。

煤層中注水后，孔隙壓力增加，應力會導致底板巷頂板下沉或巖石開裂，從而使應力轉移，注水結束后水體外瀉，煤體的應力集中釋放，注水過程對煤體產生應力沖擊，會影響煤體中吸附瓦斯的解吸速度[13]。由于煤層可近似為無限大，煤層解吸的瓦斯可向無限大空間擴散，沖擊時瓦斯和應力向周邊轉移，沖擊結束后其對瓦斯壓力和煤體應力的影響有限，但由于煤含水率增加，游離瓦斯量增加。

煤體中的瓦斯解吸后，主要通過滲流方式排泄[14]。劉震等[15]研究認為高壓注水后，煤體內產生“液態水潤濕解吸滲流區”，由于水的作用，煤樣的滲透率顯著大于干燥煤樣。因此，注水后滲透率提高，解吸的瓦斯更易進入鉆孔，會顯著降低瓦斯壓力梯度。式(1)的左邊為瓦斯噴孔的動力，注水后瓦斯壓力梯度降低，噴孔動力減小；式(1)的右邊為瓦斯噴孔的阻力，注水后黏聚力增加，噴孔的阻力增大，故注水后煤體不易失穩，從而避免了瓦斯噴孔發生。

5　結論

1)煤體水分越高，相同吸附壓力下瓦斯解吸速度和初速度越小，二者呈負相關；中高壓注水后，游離瓦斯增加、吸附瓦斯減小，煤滲透率增加，瓦斯流動性增強。注水后的雙重效應減輕了瓦斯噴孔強度，提高了鉆孔成孔率。

2)與水力沖孔技術相比，注沖結合的防噴孔消突技術鉆孔成孔率提高32%，適用于瓦斯噴孔嚴重的軟煤層作業。該技術沖出煤量達8.7‰～14.1‰，抽采15 d后抽采率達65.7%，沖出煤量提高2.3倍，是一種高效煤層增透技術。

[1]黃春明, 代志旭, 郭明功. 高壓水射流割縫增強瓦斯抽采及防噴孔技術研究[J]. 煤炭科學技術, 2015, 43(4): 63-66,109.

HUANG Chunming, DAI Zhixu, GUO Minggong. Study on enhanced gas drainage and borehole outburst prevention technology with high pressurized water jet slotting [J]. Coal Science and Technology, 2015, 43(4): 63 -66, 109.

[2]鄭春山, 林柏泉, 楊威, 等. 水力割縫鉆孔噴孔機制及割縫方式的影響[J]. 煤礦安全, 2014, 45(1): 5-8.

ZHENG Chunshan, LIN Baiquan, YANG Wei, et al. Hole spraying mechanism of hydraulic slotting drilling and the influnence of slotting mode [J]. Safety in Coal Mines, 2014, 45(1): 5-8.

[3]徐付國, 兀帥東, 楊啟軍. 穿層鉆孔水力沖孔防噴孔裝置在強突煤層中應用[J]. 能源技術與管理, 2014, 39(4): 43-44.

XU Fuguo, WU Shuaidong, YANG Qijun. Through hole drilling hydraulic punching blowout preventer device in the outburst coal seam [J]. Energy Technology and Management, 2014, 39(4): 43-44.

[4]張清鋒, 張朝華, 張飛, 等. 大容量高強度瓦斯防噴裝置的應用[J]. 煤礦安全, 2013, 44(3):139-140,141.

ZHANG Qingfeng, ZHANG Chaohua, ZHANG Fei, et al. The application of large capacity and high strength gas blowout preventer [J]. Safety in Coal Mines, 2013, 44(3):139-140,141.

[5]張保法, 劉中一. 松軟高突煤層水力沖孔防噴裝置的優化與應用[J]. 中州煤炭, 2015(10): 14-16.

ZHANG Baofa, LIU Zhongyi．Optimization and application of hydraulic punching anti-spray equipment in soft high outburst seam [J]. Zhong Zhou Coal, 2015(10): 14-16.

[6]周紅星. 突出煤層穿層鉆孔誘導噴孔孔群增透機理及其在瓦斯抽采中的應用[D]. 徐州：中國礦業大學, 2009.

[7]李永強, 庾建, 陳華森. 水力切割增加突出煤層透氣性鉆孔施工工藝探討[J]. 礦業安全與環保, 2012, 39(S1): 13-16.

LI Yongqiang, YU Jian, CHEN Huasen. Discussion on construction technology of hydraulic cutting to increase permeability of outburst coal seam [J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2012, 39(S1):13-16.

[8]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.

[9]米廣鋒. 松軟煤層水力沖孔防噴措施研究[J]. 中國機械, 2016(3): 89-89.

MI Guangfeng. Study on the measures of hydraulic punching and blowout prevention in soft coal seam [J]. Machine China, 2016(3): 89-89．

[10]趙發軍, 郝富昌. 基于力學分析的深井煤與瓦斯突出臨界值研究[J]. 安全與環境學報, 2015(5): 91-94.

ZHAO Fajun, HAO Fuchang. Influential factors on the outburst of the working range in the deep mining environment [J]. Journal of Safety and Environment, 2015(5): 91-94.

[11]黃旭超, 程建圣, 何清. 高瓦斯突出煤層穿層鉆孔噴孔發生機理探討[J]. 煤礦安全, 2011, 42(6): 122-124.

HUANG Xuchao，CHENG Jiansheng， HE Qing ．Discussion about the causes of coal and gas outburst in penetration boreholes in gassy outburst seam [J]. Safety in Coal Mines, 2011, 42(6): 122-124.

[12]郝富昌, 支光輝, 孫麗娟. 考慮流變特性的抽放鉆孔應力分布和移動變形規律研究[J]. 采礦與安全工程學報, 2013, 30(3): 449-455.

HAO Fuchang, ZHI Guanghui, SUN Lijuan. Stress distribution and movement law around drainage borehole when considering rheological property [J]. Journal of Ming and Safety Engineering, 2013, 30(3): 449-455.

[13]趙發軍, 陳學習, 劉彥偉. 損失瓦斯量與煤的破壞類型關系研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(10): 30-36.

ZHAO Fajun, CHEN Xuexi, LIU Yanwei. Study on relationship between gas loss quantity and destruction types of coal[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(10): 30-36.

14]郝富昌, 孫麗娟, 趙發軍. 蠕變-滲流耦合作用下水力沖孔周圍煤體滲透率時空演化規律[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(8): 16-22.

HAO Fuchang, SUN Lijuan, ZHAO Fajun . Reseach on coal permeability spatio-temporal evolution around hydraulic flushing based on creep-seepage coupling[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(8): 16-22.

[15]劉震, 李增華, 楊永良,等. 水分對煤體瓦斯吸附及徑向滲流影響試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(3): 586-593.

LIU Zhen, LI Zenghua, YANG Yongliang, et al．Experimental study of effect of water on sorption and radial gas seepage of coal [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(3): 586-593.