綜合水力化增透措施在豫西“三軟”煤層的工程應用探討

李 磊

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037；2.國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶市沙坪壩區，400037)

煤層透氣性是衡量煤層可抽性的重要依據，也是影響瓦斯抽采效果的重要指標。增加煤層透氣性進行高效抽采是松軟低透煤層防突的重要手段，目前常用的水力化增透措施主要有水力沖孔、煤層注水、水力壓裂、水力割縫、水力擴孔等。對于采用水力沖孔進行增透作業的豫西典型低透氣性“三軟”煤層的告成煤礦，增透孔洞的瓦斯積聚及對煤層頂、底板構造的劣化影響也是增透措施選擇的重要因素。為解決目前水力沖孔工效低、增透后衰減快及安全問題，2017 年在告成煤礦25011下副巷掘進條帶區域進行了水力沖孔、水力壓裂、水力擴孔增透應用試驗。

1 水力化增透措施基本機理

煤層水力壓裂以大于煤層濾失速率的注入量和破裂壓力的壓力，將水沿煤層結構弱面或原生裂隙注入，利用煤體的非均質性和各向異性，在水壓力和地層溫度的聯合作用下， 煤體原始地應力平衡被破壞，煤體不僅會發生彈性應變而且會使煤層產生抗拉破壞或剪切破壞，導致裂隙產生、原生裂隙擴大、裂隙導通。同時由于煤層透氣性增加，煤層瓦斯滲流表面積增加、煤層內瓦斯滲流向徑向流轉變為擬徑向流，瓦斯解析速度、運移速度增加，提高煤層瓦斯抽放效率。

水力擴孔是用分割器產生高壓水射流的旋轉對鉆孔周圍煤體進行切割，在鉆孔周圍形成一定深度的扁平縫槽，同時利用射流水的回流作用將切割下來的煤屑排出孔外。高壓水射流縫形成較深的卸壓、排瓦斯鉆孔槽，能使煤層的原始應力重新分布，采用高壓水割縫措施后，圓盤狀槽縫增加了煤體內的暴露面積，在射流作用半徑內起到了保護層作用。松軟煤層強度低，在高頻脈沖擴孔高壓水流作用下，高壓水射流半徑內的上部煤體在自重作用及地應力作用下周期性塌滑、位移，煤體顆粒經歷位移重組的過程，三軸應力失衡后的煤體間隙增大；射流半徑內的上部煤體在塌滑、位移過程中對比鄰煤體產生剪切、彎拉破壞，有利于比鄰煤體孔隙率的提高。

2 綜合水力化措施實施

2.1 應用地點概況

綜合水力化措施應用地點為鄭煤集團告成煤礦25011下副巷掘進區域條帶。告成煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，25011下副巷沿突出煤層二1布置，工作面所在區域煤層傾角為2°～12°，平均傾角8°；煤層厚度0.2～8.4 m，平均厚度4.5 m。瓦斯含量為3.56～10.94 m3/t。煤層呈粉狀、鱗片狀，組織疏松，高分散相、高吸附性、低強度、易碎、低透氣性。直接頂主要為泥巖，直接底為砂質泥巖。屬典型的豫西“三軟”煤層。底板巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯是告成煤礦區域防突措施，采用水力沖孔作為主要增透措施，水力沖孔以靜壓力為動力，壓力6 MPa左右，按區域措施控制煤量的2.5%～3.0%控制沖孔煤量，單孔沖孔施工時間為5.5～7.0 h。

2.2 水力化增透方案及鉆孔布置

根據煤層瓦斯含量的不同，將25011下副巷劃分為8個塊段，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ塊段為瓦斯含量小于10 m3/t塊段，底板巷穿層鉆孔控制巷輪廓線外各15 m范圍，采用水力壓裂增透；Ⅱ、Ⅵ塊段瓦斯含量大于等于10 m3/t，Ⅳ、Ⅷ塊段為地質構造帶，底板巷穿層鉆孔控制范圍均為巷道輪廓線外各30 m，如圖1所示。Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅷ塊段采用水力壓裂、水力擴孔綜合增透措施。

圖1 工程區域網格劃分

以25011下副巷輪廓線內為目標，沿煤層賦存穩定區域(斷層影響區以外40 m)每隔40 m布置一個水力壓裂鉆孔進行大范圍區域增透，壓裂孔按照Ⅰ～Ⅷ塊段依次編號。壓裂結束后，在瓦斯含量小于10 m3/t區域按10 m×10 m布置鉆孔，煤層地質構造區域按6 m×6 m布置鉆孔，瓦斯含量大于10 m3/t的區域按鉆孔間距8 m×8 m布置，Ⅰ～Ⅷ塊段抽采鉆孔與擴孔鉆孔間隔布置。鉆孔布置如圖2、圖3所示。

2.3 水力化增透措施實施

先進行水力壓裂施工，然后施工預抽鉆孔，最后在對應區域進行水力擴孔施工。所有鉆孔孔徑均為94 mm。選用BYW315/55型高壓柱塞泵、?51 mm高壓管、壓力表、流量計等。

每個鉆孔泵注壓力控制在25～30 MPa。壓裂施工時間為3.18～4.80 h，單孔注水量為64～90 m3。壓裂結束后保壓3 d或壓力低于2.0 MPa時保壓結束并放水。保壓結束后采用鉆孔取樣實測煤層含水量并整理壓裂前煤層含水量，通過距離平方反比法分別繪制含水量等值線圖。壓裂結束保壓期間、保壓結束放水后，在25011下底抽巷分別對垂直中線左偏30°、垂直中線左偏60°、垂直巷頂及垂直中線右偏45°進行瞬變電磁法物探，編制了壓裂目標區25011下副巷輪廓線范圍內的煤巖層瞬變電磁視電阻率斷面圖。壓裂結束后，對壓裂目標區25011下副巷輪廓線范圍內的煤層取樣并測定其瓦斯含量，通過距離平方反比法利用Surfer軟件分別編制了目標區域壓裂前后煤層瓦斯含量等值線圖。利用壓裂目標區含水量等值線圖、瞬變電磁視電阻率斷面圖在壓裂前后的變化分析水力壓裂作用半徑，根據壓裂目標區煤層瓦斯含量在壓裂前后的對比分析水力壓裂在防突方面的效果。

圖2 鉆孔布置平面圖

圖3 鉆孔布置剖面圖

鉆孔用?75 mm PVC管對巖孔段全程護壁，煤孔段全程用篩管護壁，成孔后24 h內用水泥漿進行巖孔段封孔，封孔后間隔24 h用鋼絲軟管并網抽放。每列鉆孔安裝一個孔板流量計，通過匯流器與抽采支管相連。并網抽放后，每2 d進行單孔濃度、負壓測量，每天進行匯流器濃度、負壓、壓差測量并計算流量。每列預抽鉆孔濃度、流量出現明顯衰減時，采用鉆擴一體工藝進行擴孔作業，水力擴孔壓力控制在25～30 MPa左右，按照鉆孔設計影響半徑內煤量2.5%控制出煤量。

單孔水力擴孔作業時間為3.4～4.3 h，作業過程中90%以上鉆孔出現強烈噴孔現象。

25011下底抽巷為負壓通風，巷道配風量為675 m3/min。巷道內共布置了4臺鉆機同時作業，施鉆作業中安裝了氣水煤分離器，鉆孔氣體通過低負壓抽放管路系統分離，增透作業錯時施工。

3 水力化增透措施效果考察

3.1 水力化增透措施實施中瓦斯涌出量統計

水力化增透措施過程中，巷道配風量為675 m3/min。水力壓裂過程中，巷道風流中瓦斯濃度幾乎沒有變化。水力擴孔增透時，每個鉆孔作業時間在3.4～4.3 h之間，施工過程中風流中瓦斯濃度增量為0.12%～0.26%；抽排流量0.82 m3/min，抽排濃度1.0%～6.28%；噴孔時鉆孔回風側最大瓦斯濃度1.6%。水力擴孔作業中，風排瓦斯量為173.61～452.79 m3，抽排瓦斯量1.95～13.29 m3，噴出瓦斯量72.35～238.06 m3，施工排出瓦斯175.56～704.14 m3。水力化措施區域孔板瓦斯濃度曲線如圖4所示。

3.2 水力化增透措施后抽放流量分析

該次水力化增透工程應用中，采集每組鉆孔的孔板濃度、流量測量數據對比礦井水力沖孔效果，水力沖孔區域的單孔濃度、孔板濃度、流量小于水力擴孔區域，水力沖孔區域的單孔濃度、孔板濃度在始抽7～10 d后明顯衰減，水力擴孔區域衰減出現在35～40 d以后，且衰減幅度較小。水力擴孔區域每組鉆孔流量普遍較水力沖孔區域每組鉆孔流量大0.0084～0.1014 m3/min，每組鉆孔流量差隨著濃度衰減差增大而增大。水力化措施區域瓦斯流量曲線如圖5所示。

抽放流量的衰減一方面受水力化措施影響半徑的影響，另一方面受煤層頂、底板泥巖的膨脹特性影響，水力化措施增加了煤層頂底板的含水率，加劇了泥巖的膨脹速率，并逐步擠壓水力化增透后的煤體，煤層透氣性因地應力增加又逐步降低。

圖4 水力化措施區域孔板瓦斯濃度曲線

圖5 水力化措施區域瓦斯流量曲線

3.3 水力化增透措施半徑分析

水力壓裂區煤層含水量等值線如圖6所示。由圖6可知，水力壓裂后目標區域煤層含水率增加1%～2%。壓裂后保壓期間視電阻異常低阻區較正常值低7～13 Ω·m，分別集中在垂直巷頂左偏30°深度30～40 m、垂直中線左偏60°深度50～70 m、垂直巷頂深度20～30 m區域，為壓裂目標煤巷條帶。異常低阻區呈近圓形、橢圓形，直徑20～25 m。綜合水力壓裂前后煤層含水量等值線、瞬變電磁視電阻率斷面圖分析，水力壓裂影響半徑達25 m。異常高阻區位于80～120 m、520～560 m，分別是4#壓裂孔、13#鉆場壓穿后壓裂液濾失過大所致。保壓期間水分下滲至煤層底板，保壓放水后煤層底板視電阻率值較保壓期間低22～69 Ω·m。綜合壓裂前后煤層含水量、瞬變電磁視電阻率，可知水力壓裂作用半徑達到20～25 m。

水力擴孔每米鉆孔沖出煤量1 t，擴孔后鉆孔等效半徑可用式(1)表示。

式中：m——沖出的煤量，t；

γ——煤的視密度，t /m3；

d0——沖孔前鉆孔孔徑，m；

l——水力沖孔見煤長度，m。

按每米鉆孔水力擴孔共沖出煤量1 t，原始鉆孔孔徑為94 mm，煤的密度以1.4 t/m3來計算，則擴孔后鉆孔等效孔徑為96 cm。

經統計，水力擴孔作業中，50%以上的相鄰鉆孔有出水或出煤屑情況，同時，擴孔作業后相鄰鉆孔抽放濃度增加，擴孔作業設計最小孔間距為6 m，可知水力擴孔影響半徑達到6 m。

3.4 水力壓裂后煤層瓦斯含量分析

水力壓裂前后煤層瓦斯含量等值線如圖7所示。由圖7可知，水力壓裂前后，對目標壓裂區控制的巷道輪廓線兩側各30 m范圍煤層取樣。實測二1煤層瓦斯含量平均降低約1～2.5 m3/t。通過瓦斯含量等值線，水力壓裂后目標區域瓦斯含量降低1～3.5 m3/t。

圖6 水力壓裂區煤層含水量等值線圖

圖7 水力壓裂前后煤層瓦斯含量等值線圖

4 結論

(1)綜合水力化措施能有效解決豫西“三軟”煤層區域消突、增透的問題。水力壓裂能在短期內使壓裂區煤層瓦斯含量平均降低約1～2.5 m3/t。水力沖孔、水力擴孔通過排出煤量改變措施區應力狀態，使煤層卸壓、透氣性增大，施工期間單孔瓦斯涌出量達到175.56～704.14 m3。

(2)“三軟“煤層增透方面，水力壓裂+水力擴孔綜合增透措施效果優于水力壓裂、水力沖孔單一化水力化措施。水力壓裂半徑作用達到20.0～25.0 m，水力擴孔影響半徑達到6 m。水力壓裂后鉆孔抽采濃度無顯著提升，水力沖孔后鉆孔抽采濃度增加3～6倍，濃度、流量衰減期較普通鉆孔延長1.5～2.5倍。水力壓裂+水力擴孔綜合增透后鉆孔抽采濃度較普通鉆孔、水力沖孔分別增加4～7倍、1.1～1.3倍，濃度、流量衰減較普通鉆孔、水力沖孔分別延長3～5倍、1.2～2.0倍。

(3)水力擴孔增透影響半徑隨排出煤量增加而增加，過大排煤量產生的煤層孔洞引起的瓦斯積聚及煤層頂、底板劣化等安全問題，為后期巷道掘進中瓦斯管理及支護管理帶來較大影響。合理確定擴孔排煤量是水力擴孔增透措施效果的關鍵。