井巷揭煤地面預抽輔助消突技術

張東亮

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井巷揭煤地面預抽輔助消突技術

張東亮

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

井巷如何安全、高效揭穿突出煤層是防突工作不斷探索的課題，地面預抽煤層瓦斯輔助消突不失為一種有效的解決途徑。基于井巷揭煤突出機理和防突核心任務分析，研究了地面預抽輔助消突技術特點和適應性。工程應用表明，采用洞穴完井和水力壓裂強化預抽，可有效降低井巷揭煤區煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，使揭煤區應力釋放或泄壓，破壞煤與瓦斯突出的物質基礎和動力來源，從而變突出區域(煤層)為非突出區域(煤層)。地面預抽煤層瓦斯能夠有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，適合復雜地質條件下石門、井筒揭煤防突工作。

井巷揭煤；煤與瓦斯突出；地面預抽；輔助消突

煤與瓦斯突出是煤礦生產和掘進過程中引發的一種工程地質災害，嚴重威脅礦井安全生產和井下人員的生命安全[1]，防治煤與瓦斯突出是突出礦井生產建設的首要任務之一。由于巖石井巷揭煤的特殊性，發生煤與瓦斯突出的概率最大[2-3]，其突出的強度和造成的危害也較井下其他條件下的大[4]。井巷揭煤包括石門、豎井和斜井的揭煤。以往井巷揭穿突出煤層，主要采用“四位一體”的綜合防突措施[5-7]，采用的技術工藝有鉆孔抽排、預裂爆破、水力沖孔等[8-10]，這些方法和措施主要集中在井下，由于工作空間受限，防突工作存在工期長、工序復雜、安全系數低等問題。隨著礦井開采深度的不斷增加，地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力也隨之增大，井下防突工作的難度也不斷加大，井巷如何安全、高效揭穿突出煤層仍是煤礦安全領域不斷探索的課題。

實踐證明，地面預抽煤層瓦斯是礦井瓦斯治理的有效方式[11]。地面預抽輔助消突，其思路是在井巷揭煤前，通過地面鉆井和儲層強化預抽揭煤區域瓦斯，降低甚至消除突出威脅，為井巷快速揭煤創造條件。與井下防突措施相比，地面預抽工程在地面完成，安全性高，幾乎不受時間和空間限制，在揭煤區域確定的情況下可提前數年開展抽采和消突工作，技術優勢明顯。筆者將地面預抽技術與井巷揭煤消突工作相結合，通過鉆完井、儲層強化技術設計，開展石門、井筒揭煤輔助消突技術方法研究，以期為井巷揭煤防突工作提供借鑒。

1 井巷揭煤防突的核心任務

1.1 井巷揭煤突出機理

煤與瓦斯突出是煤層中儲存的瓦斯能和應力能的失穩釋放[3]，是一種復雜的地質動力現象。一般認為，煤與瓦斯突出受煤體性質、瓦斯和地應力3方面因素的控制[12-13]，含高壓瓦斯且受到嚴重破壞的構造煤(主要是碎粒煤和糜棱煤)是突出發生的物質基礎，構造作用，特別是地應力是突出發生的動力基礎，構造破壞帶和構造應力集中地帶是發生煤與瓦斯突出的主要位置和敏感區[13]，一切由震動產生的巖體裂隙和沖擊載荷是導致煤與瓦斯突出的激發條件[14]。

井巷揭煤突出是含高壓瓦斯的構造煤在特定構造和應力場環境下發生的動力災害。在石門或井筒揭露突出煤層時，在有利的約束條件(工作面前方巖柱)下，瓦斯突出煤體內地應力和瓦斯壓力梯度增大，形成應力集中并集聚很大的變形能，在爆破或掘進等作業因素誘導下，地應力狀態的突然改變導致極限應力狀態的煤體突然破壞并發生突出，煤體破碎剝離瞬間解吸的大量吸附瓦斯形成“瓦斯風暴”流參與突出，從而在極短時間內將大量煤巖和瓦斯拋向工作空間[3]。其中，地應力和瓦斯壓力分別為突出的發生和發展提供了動力，煤的破碎程度、瓦斯含量和解吸量、瓦斯放散初速度等對“瓦斯風暴”的形成起決定作用。

1.2 防突的核心任務

在井巷揭煤過程中，嚴重破壞的構造煤體、應力場環境、瓦斯賦存狀態(瓦斯含量和瓦斯壓力)是控制突出發生的核心要素。在這些控制要素中，可以通過人為方式改變構造煤體所處的突出應力場環境和瓦斯賦存狀態，變突出區域(煤層)為非突出區域(煤層)，從而達到消突的目的。

a.改變突出的應力場環境 利用煤巖體較為軟弱的特性(高泊松比和低彈性模量)，通過一定的完井措施，使煤巖體在地應力作用下發生形變和破壞，應力釋放，減小揭煤區域因應力集中而聚集的變形能，消除突出的動力基礎。

b. 改變突出瓦斯的賦存狀態 通過儲層強化和抽采泄壓等措施，降低瓦斯壓力和瓦斯含量，使之滿足非突出賦存狀態要求(殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8 m3/t)[7]。

2 地面預抽輔助消突技術

地面預抽輔助消突就是通過儲層強化(包括洞穴完井、水力壓裂等)和預抽措施，改變構造煤體所處的突出應力場環境和瓦斯賦存狀態，在一定程度上消除煤與瓦斯突出的物質基礎和動力來源。

2.1 洞穴完井輔助消突技術

洞穴完井是在裸眼完井的基礎上發展起來的一種重要的煤層氣完井方式和儲層強化措施。該技術通過人工動力、機械擴孔和高壓水射流等[15]措施在裸眼煤層段造穴，洞穴周圍形成應力集中，使作用于煤層的應力場重新分布，應力集中導致煤體在單項負荷作用下向洞穴移動(垮塌)，并隨著應力釋放向深部擴展，其影響半徑范圍可達數十米[16-17]，由此產生的剪切裂隙、引張裂隙等與煤層中原有的內外生裂隙溝通(圖1)，從而提高近井地帶滲透性，達到儲層強化的目的。

圖1 裸眼洞穴周圍應力分區和裂隙發育概念圖(據蘇現波等[16]，王成明等[18]，修改)

在煤層中造穴打破了原巖應力平衡，形成泄壓區和應力集中帶，應力集中導致煤巖體自洞穴周邊向深部發生一系列彈塑性變形，圍繞洞穴形成極限平衡區(包括破碎帶、塑性應力區)、彈性應力區和原巖應力區[18]。極限平衡區內的煤巖體由非穩定狀態向平衡穩定狀態轉化，使圍巖不斷沿薄弱面和破壞面發生錯動和剪切，新的破壞面不斷產生(包括周緣裂隙和引張裂隙)，應力不斷釋放，并大量消耗因應力集中聚集的變形能。極限平衡區外邊界應是應力集中導致煤巖體塑性變形向深部發展的極限位置，超過極限位置，煤巖體又處于彈性應力狀態，因此，極限平衡區外邊界與應力集中帶外邊界一致。應力集中帶范圍可根據洞穴圍巖受力狀態建立的極限平衡方程推導獲得，其外邊界到洞穴壁的距離[17]為：

式中為煤層厚度；為層面間的摩擦系數，一般取0.3；為煤體內摩擦角；0為煤體殘余強度，可在實驗室測定；為上覆巖層巖體密度；為煤層埋深；為調整系數。

從式(1)可知，應力極限平衡區范圍大小主要受煤厚、埋深和煤的機械性能等因素影響。煤層越厚越利于形成大的洞穴和較長的誘導裂隙[16]，從而擴大應力釋放范圍；機械強度較低的碎軟煤層由于內摩擦角較小、內聚力較低，更易垮落形成洞穴，有利于應力釋放區向深部擴展；埋深越大，應力極限平衡區范圍也相應增大[19]。理論上，洞穴周圍的應力釋放能夠使圍巖產生大量裂隙，從而提高煤層透氣性，煤層越厚、洞穴規模越大，越有利于擴大泄壓范圍。

對于埋藏深、厚度大的碎軟突出煤層，洞穴完井一般可以取得更大的應力釋放范圍。通過科學布井、洞穴完井和預抽，使應力釋放區有效覆蓋井巷揭煤區域，改變井巷揭煤區域突出應力場環境和瓦斯賦存狀態，可達到降低突出危險性的目的。

2.2 水力壓裂預抽輔助消突技術

水力壓裂作為一種有效的儲層增產措施在煤層氣開發領域得到了普遍應用。其原理是利用地面高壓泵車(組)通過井筒向煤層段擠注具有特定性能的壓裂液和支撐劑，在煤儲層中留下一條或多條支撐裂縫，從而有效地連接井筒和天然裂隙，在排水采氣時更廣泛地分配井孔附近的壓降，提升產能[20-21]。

實踐證明，水力壓裂主裂縫半長可達數十米甚至上百米[21]。煤層氣井水力壓裂后，經過不斷排水降壓，煤儲層壓力持續下降，當儲層壓力低于臨界解吸壓力時，瓦斯開始解吸并經裂縫隨水流進入井筒，隨著抽采的持續，最終在以井筒為中心的煤儲層段形成一個不斷擴大的壓降漏斗區[22]，大量的瓦斯解吸并產出井口。研究表明，水力壓裂強化的煤層氣井經過一段時間的抽采，可有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定范圍內可以達到消突的目的，預抽消突時間與單井日產量之間呈負指數關系增長[23]，單井抽采量越高，預抽消突時間越短。而瓦斯抽采的強度一般隨距井眼距離的增加而降低，近井地帶(井眼周圍0~40 m半徑范圍)，由于裂縫寬度最大，導流能力強(水力壓裂的支撐劑顆粒一般都沉積在近井地帶[24])，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最早實現消突的區域。

實際上，井巷揭煤區范圍較小，在揭煤區域確定的情況下，可以通過合理的鉆井軌跡設計和水力壓裂，對揭煤區提前進行1~3 a甚至更長時間抽采覆蓋，變突出區域為非突出區域。

3 工程應用

3.1 謝一礦石門揭煤洞穴完井輔助消突實踐

淮南礦區謝一礦為典型的煤與瓦斯突出礦井，瓦斯含量13~18 m3/t，瓦斯壓力2.0~6.8 MPa；井下實測最大主應力值31.2 MPa[25]；加之碎軟煤層發育，煤與瓦斯突出災害嚴重，已發生中–特大型突出事故十余起。由于地應力高，瓦斯含量和壓力高，井下鉆孔施工難度大，“噴孔”嚴重，抽采效果不佳，石門揭煤突出危險系數大，井下措施已不能完全滿足防突需要。為了降低消突工作難度，縮短揭煤工期，對–960 m軌道石門揭B11煤層區域(煤厚約6.4 m)采用地面洞穴完井輔助消突。

在石門揭煤區域設計布置2口定向井(T01和T02)和1口多分支水平對接井(T03)(圖2)。其中，兩口定向井為洞穴井，落點位于石門揭煤點的兩側，相距約15 m；多分支水平井落點位于–960 m軌道石門上方的巷道中線上，并在B11煤層中側鉆形成兩個分支，分別與T01和T02井對接。鉆井和固井結束后，采用機械擴孔、高壓水射流沖刷和空氣動力3種方法相結合的方式，分別對T01和T02井B11煤層段進行造穴作業，其中機械擴孔最大孔直徑為500 mm，空氣動力最大放噴壓力8 MPa。T01井造穴出煤粉量約171 m3，T02井造穴出煤粉量約131 m3，經粗略估算，相當于分別形成了半徑為3.0 m和2.5 m的圓柱形洞穴。造穴完成后，對T01和T02井分別進行瓦斯抽采，共計抽采瓦斯量4.75萬m3。

由于洞穴井距離近(約15 m)，造穴作業過程中井間相互溝通，加之與T03井對接和瓦斯抽采，使石門揭煤區域應力得到釋放，泄壓明顯。井下鉆孔測試顯示，經過洞穴完井和預抽，瓦斯壓力由原始的6.8 MPa下降到0.2~4.5 MPa，瓦斯含量由18 m3/t下降至13 m3/t[26]，井下鉆孔未再次出現嚴重噴孔現象，有效降低了井下揭煤防突難度，提高了揭煤效率。

圖2 淮南謝一礦石門揭煤洞穴完井輔助消突示意圖

3.2 官寨煤礦井筒揭煤輔助消突預測

貴州官寨煤礦屬于籌建礦井，煤層發育具有“層數多、總厚度大”的特點，共含可采煤層10層，各層平均煤厚0.9~2.6 m。受井田大型斷層帶影響，各煤層均遭受不同程度的構造破壞，碎軟低滲煤層(特別是碎粒煤和糜棱煤)較為發育，可采煤層試井平均滲透率低于0.10×10-3μm2。各煤層均為無煙煤，吸附能力強，瓦斯含量高，埋深超過200 m，瓦斯含量一般超過8 m3/t，最大達24.90 m3/t，瓦斯壓力0.80~2.25 MPa。由于瓦斯含量高、壓力大，加之煤質碎軟，各煤層均具有突出危險性。

官寨煤礦采用“斜井+立井”聯合開拓，主斜井、副立井所在的大型斷層帶(F2和F14斷層帶)是突出的危險地帶(圖3)，井筒揭露具有突出危險性煤層時，在前方巖柱的有利約束下，工作面前方會形成應力集中和能量聚集，在措施不到位的情況下，極易發生突出事故。為了降低未來井筒揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，對副立井和主斜井分別設計采用洞穴完井和水力壓裂預抽技術進行輔助消突。

3.2.1 副立井揭煤洞穴完井輔助消突

副立井位于南二盤區F14、F13和Fx斷層切割的斷塊位置，設計深度546 m，截面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰巖大巷貫通。井檢孔資料顯示，井筒揭穿厚度較大、具有突出危險性的煤層8層，煤厚0.80~4.99 m，瓦斯含量8.98~16.31 m3/t(表1)，瓦斯壓力1.06~1.78 MPa，受斷層影響，各可采煤層以碎粒煤和糜棱煤為主。

圖3 貴州官寨煤礦井主斜井、副立井位置示意圖

表1 貴州官寨煤礦副立井井筒揭煤參數表

在副立井揭煤區兩側同一直線上設計布置2口垂直井，2井距井筒法線距離均為10 m(圖4a)，垂直井揭穿所有煤層后繼續施工50 m口袋。鉆井和套管完成后，分別采用“機械擴孔+高壓水射流+空氣動力”組合方式對兩口井揭露的具有突出危險性的2、4、6、10、11、12和15號等煤層進行洞穴完井。

造穴過程中，盡可能擴大洞穴的規模并使井間同一煤層洞穴溝通，使應力釋放，再通過抽采擴大卸壓區范圍并覆蓋揭煤區域；原則上，煤厚0.8~2.0 m的煤層，洞穴直徑不小于2.0 m，煤厚3 m以上的煤層洞穴直徑不小于4 m。單井多層煤的洞穴完井，采用自下而上的順序進行，下部煤層造穴完成后，在洞穴中填滿粗砂，在上、下煤層之間下入可鉆式橋塞封隔；下部井斷造穴完成后，開始上部煤層的造穴作業，直至所有突出煤層全部完成造穴作業，形成一個由井眼相連的“串珠”狀洞穴；造穴作業全部完成后，下鉆掃除可鉆橋塞，通井后，在井口安裝抽油機進行瓦斯合層抽采(圖4a)。

圖4 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井及抽采效果預測圖

采用CBM-SIM數值模擬軟件，對洞穴完井后各煤層抽采效果進行預測，經過330 d抽采，抽采總量達10.82萬m3，揭煤區域卸壓，殘余瓦斯含量降至7.16~12.00 m3/t，突出危險性大大降低(表2，圖4b)。

表2 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井預抽效果預測表

3.2.2 主斜井揭煤水力壓裂輔助消突

主斜井揭煤區位于北二盤區F2正斷層下盤(圖3)，井筒傾角21.5°，斜長1 380 m，斷面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰巖中的大巷貫通。井檢孔資料顯示，揭露的2號、5號、9號和11號煤層為構造煤，瓦斯含量9.64~17.21 m3/t，瓦斯壓力0.79~1.27 MPa(表3)。

設計在井筒揭煤區布置“U”型井組，由1口定向井和1口直井對接，其中，定向井井眼軌跡位于主斜井井筒軌跡下方5~10 m，與主斜井井筒揭煤段軌跡平行(圖5)。首先施工垂直井(兼做參數井)，再施工定向井與垂直井對接。鉆完井結束后，在定向井段采用泵注橋塞電纜射孔壓裂聯合作業技術[27]對2號、5號、9號、11號煤層進行射孔和分段壓裂。壓裂完成后，對揭露的其他煤層全部射孔打開，在直井井口安裝抽油機進行抽采(圖5a)。

表3 貴州官寨煤礦主斜井揭穿煤層參數

2015年，官寨井田實施了地面瓦斯抽采試驗(GZ-01井)，獲取了儲層基礎參數和氣井生產動態數據。根據這些生產數據，采用數值模擬方法進行歷史擬合獲取的煤儲層滲透率、儲層壓力等參數，更加真實地反映官寨井田的儲層地質條件，這些參數可以用來對主斜井抽采效果進行預測。數值模擬結果顯示，主斜井采用定向井水力壓裂方式進行瓦斯抽采1 a，近井地帶(井眼周圍30 m范圍)瓦斯含量降至5.6~7.4 m3/t，滿足主斜井開挖20 m范圍內瓦斯含量低于8 m3/t的要求[28]，主斜井揭煤突出危險性大大降低(圖5b)。

圖5 主斜井揭煤水力壓裂及抽采效果預測圖

4 結論

a. 防突工作的核心任務是通過工程技術措施改變構造煤體所處的突出應力場環境和瓦斯賦存狀態，消除突出發生的動力來源和物質基礎，變突出區域(煤層)為非突出區域(煤層)。

b.在煤層中造穴，可以改變構造煤體所處的突出應力場環境，減小因應力集中而聚集的變形能，使洞穴周圍一定范圍內應力釋放并卸壓，從而減小突出發生的動力來源；煤層越厚、洞穴規模越大越利于取得大范圍的應力釋放和卸壓。煤層氣井近井地帶(0~30 m半徑)水力壓裂形成的支撐裂縫寬度最大，導流能力最強，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最易實現消突的區域。工程實踐表明，將洞穴完井或水力壓裂預抽形成的應力釋放區或壓降范圍有效地覆蓋井巷揭煤區域，經過一段時間的抽采，降低了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定程度上可降低突出危險性甚至達到消突的目的。

c.地面預抽輔助消突技術安全性高，可有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，是井下防突措施的重要補充，適合構造復雜帶或深部強突煤層(井下措施難以到位、安全風險大)的井巷揭煤防突工作。

需要指出的是，我國煤礦地質構造復雜多樣，采用地面預抽技術開展井巷揭煤輔助消突，要充分考慮安全性和生產接續的緊迫程度，考慮不同抽采技術的適應性與經濟性，靈活運用。再者，經過地面預抽輔助消突，仍需要井下開展防突效果檢驗，對于地面預抽不達標的區域，需布置新的防突措施。

致謝：在本文撰寫過程中，王成、茹婷和王正喜等同事給予了支持和幫助，在此表示衷心感謝！

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Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft

ZHANG Dongliang

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

How to expose an outburst-prone coal seam safely and efficiently in tunnel and mine shaft is always a subject to study continuously in outburst prevention, surface coalbed gas pre-drainage is an effective approaches for outburst prevention. Based on the analysis of outburst mechanism in tunnel and mine shaft and the core task of outburst prevention, the characteristics and adaptability of the outburst prevention techniques by surface pre- drainage are studied. Practical engineering application shows that the gas content and pressure in coal exposure area can be effectively reduced using surface pre-drainage well by cavern completion or hydraulic fracturing, the stress or pressure relief and the source and driving force of outburst are weakened after drainage, the seam changed from outburst state to non outburst state. Surface pre-drainage of coal gas can effectively reduce the difficulty of underground outburst prevention and improve coal exposure efficiency, therefore, can be used for outburst prevention during coal exposure in cross-cut and shaft with complicated geological conditions.

surface gas pre-drainage; outburst prevention; coalbed exposure in tunnel and mine shaft

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Reserch Institute of CCTEG(2017XAYZD17)

張東亮，1982年生，男，河南平頂山人，助理研究員，碩士，從事煤層氣勘探開發與煤礦瓦斯治理工作. E-mail：zdl21025@126.com

張東亮. 井巷揭煤地面預抽輔助消突技術[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：49–55.

ZHANG Dongliang.Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：49–55.

1001-1986(2019)03-0049-07

TD82

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.009

2018-09-11

國家科技重大專項課題(2016ZX05045-002)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2017XAYZD17)

(責任編輯 范章群)