深水平強突出煤層石門揭煤技術的探討

劉雪莉，游繼軍

1.安徽新華學院土木與環境工程學院，安徽 合肥 230031；

2.淮南礦業集團，安徽 淮南 232001

預防煤與瓦斯突出事故是突出礦井開采中需要解決的一項重要難題，在各類突出事故中以石門揭煤發生突出的概率最高，突出強度也是最大［1］。在石門揭開突出煤層前，必須采取區域防突措施以消除煤層的突出危險，最常用的區域防突措施為施工密集穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，但對強突、松軟、低透煤層，單純采用抽采鉆孔的抽采效果一般，為了提高鉆孔抽采效果，必須提高煤層的透氣性［2-4］。目前使用最廣泛的卸壓增透技術為水力壓裂，通過高壓水壓裂煤體，使煤層的透氣性提高，但水力壓裂存在一定局限性：①待壓裂煤層的堅固性系數小于0.2時不適合進行水力壓裂；②水力壓裂后煤體的卸壓范圍有限，需要進行重復壓裂才能提高抽采效果；③水力壓裂期間現場瓦斯涌出異常，威脅作業人員的人身安全［5-9］。而水力壓沖技術則是利用高壓水射流在壓裂煤體的同時對煤體進行掏穴，壓出大量煤體，降低煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體被壓出后產生更多的卸壓通道，煤層的透氣性顯著提高，從而實現卸壓增透的目的。此外，水力壓沖掏穴期間作業地點人員全部撤離，現場壓沖情況可以直接通過視頻監控反饋，保證了作業人員的安全。因此將穿層預抽鉆孔抽采與水力壓沖卸壓增透技術相結合，可以更有效地治理強突、松軟、低透煤層的瓦斯問題［10-12］。

1 水力壓沖技術防突機理

水力壓沖技術就是在壓裂技術的基礎上以巖壁為安全屏障，采用高壓水力作用沖出大量的煤體和瓦斯，從而使煤體的原始應力狀態發生改變，為煤體膨脹變形提供充分的空間，周圍煤體在地應力作用下發生膨脹變形，使地應力向四周移動，起到局部卸壓作用［13-14］，而且由于煤體的膨脹變形，增加了煤層的透氣性系數，擴大了排放瓦斯影響范圍，提高了抽采效率，有效降低了煤層的原始瓦斯含量。煤體被濕潤后，其脆性降低，塑性增加，煤體的彈性勢能減小，另外，濕潤煤體后，可降低煤體中殘存瓦斯的解析速度，減小瓦斯膨脹能［15-16］。

2 現場應用

2.1 試驗地點煤層賦存及瓦斯情況

-812 m南邊界石門為礦井六水平進風及運輸的主要石門，服務于六水平二采區，巷道設計斷面為直墻半圓拱形，凈寬5.3 m，凈高4.15 m，采用錨網噴支護，石門目前距B11b煤層底板法距7 m。B11b煤層為突出煤層，其始突標高為-312 m，始突地點埋深327 m，突出地點煤層瓦斯壓力0.78 MPa。本次試驗地點標高-812 m，煤層埋深827 m，平均傾角26o，厚度5.7 m，煤層原始瓦斯壓力2.8 MPa、原始瓦斯含量12.31 m3/t；瓦斯放散初速度Δp=23.1 mmHg，堅固性系數f=0.31，透氣性系數0.004 83m2/（MPa2·d）。B11b煤黑色，粉粒狀，瀝青光澤，屬半暗-半亮型，斷口參差狀，條痕黑褐色，靠頂部發育有夾矸。B11b煤層頂板：砂質泥巖，深灰色，厚2.3 m。B11b煤層底板：泥巖，深灰色，巖性較脆，厚2.0 m。揭煤區域煤巖層如圖1所示。

圖1 揭煤區域煤巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of coal uncovering formation region

2.2 水力壓沖實施方案

2.2.1 壓沖鉆孔設計與施工 1）注水鉆孔設計與施工。在-730 m 62213底板巷內對應-812 m南邊界石門正上方利用反井鉆機施工1個鉆孔，水力壓沖注水用，注水鉆孔設計參數如表1所示，注水鉆孔設計平面圖和剖面圖如圖2（a）～圖2（b）所示。

表1 注水鉆孔設計參數Tab.1 Design parameters of water injection drilling hole

圖2 壓沖鉆孔（a）平面圖和（b）剖面圖；區域措施鉆孔（c）平面圖和（d）剖面圖Fig.2 （a）Planar graph and （b）section graph of water injection drilling hole；（c）Planar graph and（d）section graph of regional measures for drilling hole

鉆孔采用?244 mm復合片鉆頭開孔施工，鉆孔全孔采用泥漿循環排渣施工工藝。根據鉆孔預計見B11b煤孔深，提前5 m終孔停鉆，起鉆前必須使用泥漿沖凈孔內巖粉，確保孔底無淤泥；鉆孔施工結束后，采用“兩堵一注”帶壓封孔注水泥砂漿封孔固管。鉆孔封孔（注漿）結束48 h后，向孔內壓清水試壓，當壓力達15 MPa時穩壓30 min以上為合格，否則需重新注漿，直至合格為止。試壓合格后，利用ZDY-3200S型鉆機，?153 mm鉆頭進行透孔，采用孔口簡易防噴裝置，直至透過B11b煤，透孔結束后對B11b煤進行分級掏穴，掏穴孔徑?260 mm。

2）出水鉆孔設計與施工。-812 m南邊界石門距B11b煤法距7 m前停止施工，在石門迎頭位置施工3個鉆孔，其中C1#孔設計打透注水鉆孔Z1#，做為水力壓沖出水排渣孔，出水鉆孔設計參數如表2所示，出水鉆孔設計平面圖和剖面圖如圖 2（a）～圖2（b）所示。

表2 出水鉆孔設計參數Tab.2 Design parameters of yielding water of drilling hole

第一個鉆孔施工時，安設Ⅱ代防噴裝置，采用?127 mm復合片鉆頭、?73 mm肋骨鉆桿施工，鉆孔巖石段采用壓力水排渣施工。根據鉆孔預計見B11b煤孔深，見煤換壓風排渣施工，同時開啟防噴裝置，直至終孔。鉆孔孔深以至少穿過B11b煤頂板1.0 m為準。起鉆過程中必須使用壓風掃孔，確保孔內通暢。鉆孔施工結束后，采用帶壓封孔，封孔長度不小于20 m。下套管22 m，由孔里向孔外依次下?50 mm雙抗管20 m，?50 mm鐵管2 m，?16 mm注漿管4 m、?16 mm返漿管16 m。

2.2.2 水力壓沖工序 當注水鉆孔及-812 m南邊界石門迎頭3個出水鉆孔施工完畢、封孔結束、壓沖設備準備就緒后，進行水力壓沖作業。將注水泵壓力調至最大臨界值35 MPa。壓沖過程中，安排專人對注水泵的壓力、流量變化情況、注入水量情況進行記錄統計，待注水泵壓力明顯下降，同時通過觀察視頻攝像裝置，確定-812 m南邊界石門迎頭出水鉆孔已出水，待出水通道暢通，停止注水泵注水，改用井下供水管路進行沖孔。

2.3 水力壓沖效果考察

2.3.1 沖出煤粉量 2015年6月12日開始進行水力壓沖，至2015年7月22日結束壓沖累計用時4 820 min，壓入水量1 290 m3，3個出水鉆孔累計壓出塊狀煤、片狀煤、煤粒、煤泥等沉淀物約285 t。水力壓沖結束后，通過注水孔和3個出水孔注入水泥沙漿對揭煤區域內的空洞進行充填。

2.3.2 增透效果 水力壓沖結束對壓沖區域煤體的瓦斯壓力、瓦斯含量及煤層透氣性系數進行考察，考察結果為B11b煤層瓦斯壓力由2.8 MPa降到 1.2 MPa，瓦斯含量由 12.31 m3/t降到 8.5 m3/t，煤層透氣性系數由原來的0.004 83 m2/（MPa2·d）增加到0.683 1 m2/（MPa2·d），是原來的141倍。

2.3.3 抽采瓦斯濃度和瓦斯純量 水力壓沖結束后，在石門迎頭及兩幫施工區域措施鉆孔，根據B11b煤有效抽采半徑考察報告，確定區域措施鉆孔按3 m×3 m（走向*傾向）布置，鉆孔控制范圍為巷道輪廓線外上方22.5 m、下方19.6 m、兩幫各15 m，抽采鉆孔在預抽區域內均勻布置，共計施工234個抽采措施孔，總鉆孔量9 032 m，所有鉆孔一次穿透煤層，并進入煤層頂板0.5 m。區域措施鉆孔布置平面圖和剖面圖如圖 2（c）～圖 2（d）所示。鉆孔施工完畢后立即合茬抽采，并安裝自動計量裝置對鉆孔抽采的瓦斯總量及濃度進行計量，經計算，-812 m南邊界石門揭煤區域總瓦斯儲量211 793.68 m3，歷時50 d的抽采后，鉆孔總抽采量135 316.8 m3，抽采率達63.9%，穿層預抽鉆孔單孔抽采濃度最高達75%以上，干管抽采濃度在35%以上，百孔瓦斯抽采純量達1.07 m3/min，鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采純量隨時間變化關系如圖3所示。

圖3 鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采純量隨時間變化關系圖Fig.3 Relationship between gas extraction concentration and purtity of drilling hole and time

2.3.4 試驗結果分析 南邊界石門B11b煤層經過水力壓沖后煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量均大幅下降，煤層的透氣性系數卻急劇增加，這是由于在高壓水的壓裂、壓沖下，一方面原生孔裂隙張開可擴展，增加煤體的孔隙率，另一方面，原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通，從而形成了相互交織的多裂隙連通網絡，增加了瓦斯的運移通道；同時，在沖孔期間原始煤體內大量的吸附瓦斯釋放為游離瓦斯，而且由于煤體的膨脹，煤層的透氣性系數增加，擴大了排放瓦斯影響范圍，提高了抽采效率，極大地降低了煤層的原始瓦斯含量。

2.4 瓦斯治理效果

-812 m南邊界石門迎頭及兩幫鉆場區域措施鉆孔歷時50 d的抽采后，抽采率達63.9%＞45%，抽采率達標后需進行防突措施效果檢驗，根據《防突規定》在石門上部、中部、下部和兩側共施工5個檢驗測試鉆孔來測定B11b煤層的殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量，根據測量殘余瓦斯壓力鉆孔的在線監測，5個測壓孔的殘余瓦斯壓力分別為0.22 MPa、0.18 MPa、0.24 MPa、0.13 MPa、0.15 MPa，均小于0.74 MPa；殘余瓦斯含量分別為3.42 m3/t、3.15 m3/t、3.26 m3/t、2.75 m3/t、3.08 m3/t，均小于8 m3/t；檢測鉆孔在施工過程中無噴孔、頂鉆、吸鉆等異常現象。因此，判定待揭B11b煤層已無突出危險，可以進行揭煤。在整個揭煤過程中回風流中瓦斯濃度最大為0.13%，未出現瓦斯異常情況。

3 結 語

通過在-812 m南邊界石門應用水力壓沖技術，取得了如下成果：

1）降低煤層原始瓦斯壓力及含量。通過對揭煤區域的煤體進行水力壓沖后煤層瓦斯壓力由2.8 MPa降到1.2 MPa，瓦斯含量由12.31 m3/t降到8.5 m3/t，有效遏制了高瓦斯壓力及瓦斯含量下鉆孔施工過程中的“孔突”現象，既提高了區域措施鉆孔施工的效率，又保證了鉆孔施工人員的安全。

2）提高了區域措施鉆孔的抽采效果。較水力壓裂相比，水力壓沖不僅壓裂煤體，同時還將煤體掏出，從而使煤體的卸壓通道增加，卸壓范圍更廣；B11b煤層透氣性系數僅為0.004 83 m2/（MPa2·d），在該條件下B11b煤層穿層鉆孔的抽采濃度在10%～15%之間，而進行水力壓沖后，揭煤區域B11b煤層透氣性系數增加到0.683 1 m2/（MPa2·d），穿層抽采鉆孔的抽采瓦斯濃度達35%。

3）縮短揭煤工期。根據統計，經過水力壓沖增透后縮短了-812 m南邊界石門區域措施鉆孔的施工時間及抽采達標時間，揭煤工期也縮短至75 d，實現了深水平強突出煤層安全、快速、高效揭煤。

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