突出煤層地面直井壓裂抽采瓦斯技術探析

曹 陽

（陽泉新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000）

煤與瓦斯突出問題是制約我國煤礦安全生產的技術難題，在我國諸多存在煤與瓦斯突出隱患的區域內，以陽泉礦區為顯著代表。陽泉礦區是我國煤與瓦斯突出嚴重地區，礦區范圍煤層質地松軟，透氣性差，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，噸煤瓦斯平均含量在15～25 m3/t 之間，個別區域甚至高達45 m3/t，平均瓦斯壓力在2～4 MPa 之間，是典型的高瓦斯、低滲透、難抽采煤層，煤與瓦斯嚴重突出問題已成為影響該礦區快速掘進以及安全生產的重大問題。多年以來，陽煤礦區一直致力于礦井瓦斯抽排科研技術攻關，提出通過施工密集鉆孔、水力切縫、水力沖孔、深孔松動爆破等多項技術工藝控制煤與瓦斯突出現象，在一定程度上降低了瓦斯突出事故的頻率與強度，但未能從根本上遏制瓦斯突出的發生。特別是隨著煤層開采程度的增加，傳統技術工藝弊端日顯，難以滿足礦區安全開采的需求[1-3]。因此，探索科學、具有針對性的煤層增透消突技術，提高礦井開采效率與安全系數，是當前陽泉礦區煤礦安全生產工作的重中之重。

1 工程概況

陽煤新景礦位于山西省陽泉境內，井田煤層屬石炭-二疊紀含煤地層，煤層分布范圍較廣，厚度穩定，區域可采煤組為太原組、山西組，地層總厚度約為177.2 m，可采煤層共16 層，總厚度為15.86 m，其中，山西組平均總厚度為62.55 m，含煤總厚度為4.53 m，太原組總厚度為114.65 m，含煤總厚度為11.07 m。井田區域3#、15#煤為全區可采的穩定煤層，8#、9#煤為大部分可采的較穩定煤層，6#、8上#、12#、13#煤為局部可采的不穩定煤層，其余均為極不穩定的不可采煤層。新景礦井田總體呈一走向北西、傾向南西的區域性單斜構造，次級構造以波幅不大的褶皺為主，巖溶陷落柱較為發育。井田含煤巖系宏觀巖性組合以偏塑性為主導，斷層不發育，主要以落差小于5 m 的層間小斷層為主，陽煤新景礦3#煤層煤化程度偏高，透氣性差，瓦斯壓力大，噸煤瓦斯平均含量≧15 m3/t，最大高達22.74 m3/t，煤層破裂壓力為13.07 MPa，閉合壓力為12.68 MPa，屬典型的高瓦斯、低滲透、難抽采煤層。

2 地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯技術

地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突技術體系主要由地面直井、壓裂區與水平定向鉆孔三部分構成。其中，壓裂區是聯結地面直井與水平定向鉆孔的“橋梁樞紐”[4]，通過地面立井對目標煤層進行氣相壓裂處理，從而在煤層中形成一定范圍的壓裂破碎區，令壓裂產生的裂隙與水平打設的定向鉆孔相互貫通，形成一個有效的瓦斯釋放體系，實現對瓦斯氣體的整體抽排[5]。礦井地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突體系如圖1。

圖1 礦井地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突體系圖

2.1 井身結構設計

地面立井采用二級井身結構，其中，一開選用規格為Φ311.1 mm 的鑲齒鉆頭，同時配備鋼級為J55、規格為Φ244.5 mm×8.94 mm 套管作為表層套管，設計鉆進深度為42 m，鉆進至第四系風化層以下5 m 左右，固井水泥返至地面；二開選用規格為Φ215.9 mm 的鑲齒鉆頭，同時配備鋼級為J55、規格為Φ139.7 mm×7.72 mm 套管，設計鉆進深度為480 m，鉆至3#煤層頂部位置時，將低固相或無固相鉆井液體換做清水繼續對目標煤層鉆進至3#煤層底板以下35 m 位置處，固井水泥返至地面。井身結構設計參數見表1，井身結構設計示意如圖2。

表1 井身結構設計參數表

圖2 井身結構示意圖

2.2 壓裂施工

地面立井固井施工完成后，采用水力壓裂法對鉆井進行壓裂試驗，通過活性水循環主壓車，令循環液返回至大罐，地面高壓管井及口試壓50 MPa，測試穩壓3 min，施工作業限壓45 MPa。

鉆井壓裂設計施工參數見表2。射孔設計參數見表3。

表2 鉆井壓裂設計施工參數表

表3 射孔設計參數表

2.3 井下水平鉆孔施工

為確保陽煤新景礦地面直井壓裂形成的裂隙能夠與水平鉆孔有效貫通，保證瓦斯抽采效率，擬在井下施工氣相壓裂鉆孔與定向鉆孔。計劃選用80 m循環雙孔對目標煤層進行壓裂，即沿煤巖體掘進巷道前方施工2 個壓裂鉆孔與9 個瓦斯定向抽采鉆孔，分別編號為1#～11#。其中，2#、4#鉆孔為壓裂鉆孔，其余鉆孔為輔助抽采鉆孔。鉆孔參數及氣相壓裂參數見表4，鉆孔布置示意如圖3。面安全施工。

表4 新景礦鉆孔及氣相壓裂鉆孔參數表

圖3 鉆孔布置示意圖

表5 新景礦采掘情況、瓦斯涌出量統計表

3 實踐效果

在陽煤新景礦實施地面直井與井下定向鉆孔抽采瓦斯綜合技術期間，對2019 年12 月9 日—2019年12 月26 日為期18 d 的采掘情況、瓦斯涌出量進行數據統計，考察情況見表5。

新景礦采用傳統瓦斯抽放技術工藝期間，工作面日均進尺3.42 m，單頭月進尺45.74 m。施工地面直井與井下定向鉆孔抽采瓦斯綜合技術期間，工作面日均進尺5.81 m，實現單頭月進尺平均123.5 m，較之于傳統工藝，進尺效率提高近1.7 倍。割煤期間，煤頭平均絕對瓦斯涌出量為2.30 m3/min，回風平均相對瓦斯涌出量為1.51 m3/t，各地點各循環抽采期間各項抽采參數均有所升高，總體抽采期間的單孔平均濃度為44.12%，全部并網后平均抽采純量為0.490 m3/min，日均抽采量705.71 m3，瓦斯抽放取得了良好效果。

為檢測施工工藝對礦井瓦斯治理效果，新景礦巷道掘進期間，對工作面前方共進行了963 次鉆屑解吸指標K1 值測定，得到14 445 個測試數據。其中，鉆屑解吸指標K1 值＞0.4 的次數有23 次，K1 值超標率為2.39%，未出現明顯的突出動力現象。整體上，降低了工作面突出危險性，有效地確保了掘進工作

4 結語

為解決陽煤新景礦區構造區瓦斯治理難題，消除瓦斯突出危險隱患，提高施工安全性，提出地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯綜合立體防突治理技術。通過在地面建立立井，利用水力壓裂煤層的方法，對煤層瓦斯進行壓裂預抽，同時對復雜構造帶以外的煤層進行打設鉆孔，通過氣相壓裂的方式對瓦斯進行抽采，從而形成井上、下立體綜合防突技術體系。實踐表明，該技術工藝能夠有效提高施工效率與安全，實現對復雜構造區域瓦斯積聚的有效治理。