頂板水力撓動(dòng)強(qiáng)制卸壓煤層瓦斯抽采工程實(shí)踐*

田坤云，韓兆彥，畢寸光

(1.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191； 2.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455141 )

0 引言

低透氣性煤層的瓦斯抽采長期以來一直是礦井安全高效生產(chǎn)的瓶頸[1]。人為強(qiáng)制卸壓是有效提高煤層透氣性、擴(kuò)大抽放鉆孔影響范圍、提高煤層瓦斯抽采增濃的重要手段[2]，其中煤層高壓注水撓動(dòng)是人為強(qiáng)制卸壓的主要措施之一[3-4]。水力撓動(dòng)起源于油氣井田的開發(fā)過程中，由于其明顯的工程效果，該技術(shù)被應(yīng)用于煤層人工造縫領(lǐng)域，裂縫產(chǎn)生后煤層瓦斯擴(kuò)散、滲流通道被打開，最終達(dá)到提高煤層透氣性的效果。礦井水力撓動(dòng)措施作用對象大多為煤體，受撓動(dòng)技術(shù)水平和加載高壓泵等設(shè)備的限制，取得較好瓦斯治理效果的案例較少。相關(guān)工程應(yīng)用及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)均表明[5-7]，由于煤層賦存特征的復(fù)雜性，高壓水撓動(dòng)致裂并非適用于所有煤層。對于未受地質(zhì)構(gòu)造破壞或破壞程度較輕的堅(jiān)硬煤體(原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu))而言，在高壓水作用下，其內(nèi)部能夠產(chǎn)生貫通性較好的裂隙，且在持續(xù)注水條件下，裂隙能較好地延展，最終形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，瓦斯?jié)B流通道打開，在負(fù)壓作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)較理想的瓦斯抽采效果；相反，對于受地質(zhì)構(gòu)造破壞影響較嚴(yán)重的松軟煤體(碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu))而言，由于其遇水后塑性增強(qiáng)、體積增大，導(dǎo)致對其的撓動(dòng)實(shí)質(zhì)為擠脹，最終裂隙被水及煤體混合而成的煤泥封堵，瓦斯?jié)B流通道被阻斷，抽放效果反而明顯降低，從而導(dǎo)致不少礦井盲目采用水力撓動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)制卸壓，但并未取得預(yù)期效果[8-10]。

采用水力沖孔沖出部分軟煤進(jìn)而擴(kuò)展瓦斯?jié)B流通道可實(shí)現(xiàn)卸壓增透[11]。同時(shí)，由于大多軟煤頂板較為堅(jiān)硬，間接性地在彈性體的頂板巖石中實(shí)施水力撓動(dòng)也能達(dá)到對下部煤層卸壓的目的，頂板巖石致裂后，瓦斯流動(dòng)的高速通道在頂板內(nèi)得以形成，瓦斯運(yùn)移速度增加，抽采時(shí)間縮短，抽采效率急劇提升[12]。基于此，本文在試驗(yàn)礦井松軟煤層及其頂板砂巖中分別布置1組鉆孔進(jìn)行撓動(dòng)試驗(yàn)，監(jiān)測注水壓力及流量實(shí)時(shí)變化。試驗(yàn)結(jié)束后聯(lián)接抽放系統(tǒng)考察相關(guān)瓦斯指標(biāo)以驗(yàn)證撓動(dòng)效果。

1 頂板巖石水力撓動(dòng)致裂及瓦斯?jié)B流機(jī)理

對不適宜采取水力撓動(dòng)進(jìn)行卸壓增透的煤體，可對其頂板進(jìn)行撓動(dòng)。使用該措施后頂板巖體產(chǎn)生大量與煤體貫通性的裂隙，下部煤層瓦斯沿裂隙運(yùn)移至頂板，對煤層起到卸壓增透的作用，如圖1所示。由圖1可知：

圖1 撓動(dòng)鉆孔裂隙發(fā)育及瓦斯運(yùn)移示意Fig.1 Schematic diagram for fracture development and gas migration of disturbance borehole

1)高壓水致裂作用下，頂板撓動(dòng)鉆孔一定范圍內(nèi)的巖體發(fā)生破裂并產(chǎn)生一定數(shù)量的新裂隙；

2)持續(xù)高壓水促使新生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，與頂板原生裂隙溝通。隨著撓動(dòng)時(shí)間延長，裂隙進(jìn)一步在立體范圍內(nèi)擴(kuò)展，橫向沿著巖體分布達(dá)到一定范圍，縱向與下部煤體及其裂隙溝通；

3)水力撓動(dòng)形成頂板裂隙區(qū)，高壓水改變了頂板及其下部煤體的應(yīng)力分布，煤層透氣性得到有效提高；

4)頂板巖體致裂后發(fā)生脆性變形，新生裂隙得到較好的擴(kuò)展、延伸，相比于煤體中的裂隙可保持更加長久，便于后期進(jìn)行重復(fù)水力撓動(dòng)。

2 工程應(yīng)用

2.1 水力撓動(dòng)鉆孔布置

工程應(yīng)用以河南鄭州礦區(qū)某礦為例，試驗(yàn)礦井僅二1煤層可采，煤層厚度0～18.88 m，平均5.8 m。位于山西組下部，大占砂巖為其直接頂板。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，屬煤與瓦斯突出礦井，瓦斯涌出量大且不均衡，受煤層厚度變化影響較大，煤層瓦斯含量為7～20 m3/t，煤層瓦斯壓力0.26～1.4 MPa。全層構(gòu)造軟煤發(fā)育，且普遍達(dá)到Ⅲ～Ⅴ類煤，井田內(nèi)地層傾角平緩，構(gòu)造簡單，并以封閉式斷裂為主，煤層較厚，且變質(zhì)程度較高，瓦斯賦存條件較好，瓦斯含量大。透氣性系數(shù)為0.027 7～0.131 3 m2/(MPa2·d)，屬于較難抽采煤層。

在回風(fēng)巷道中掘進(jìn)巖石爬坡巷，在工作面里側(cè)方向施工頂板巖石撓動(dòng)鉆孔，同時(shí)在運(yùn)輸巷沿煤層厚度中部向工作面布置煤層撓動(dòng)鉆孔，布孔方式如圖2所示。頂板撓動(dòng)鉆孔長度100 m，平行于煤層傾向，距煤層頂板5 m，封孔深度10 m，撓動(dòng)對象為頂板上覆砂巖；煤層撓動(dòng)鉆孔布置于煤層厚方向中部，鉆孔長度及封孔深度與頂板鉆孔相同，撓動(dòng)對象為煤層。

圖2 撓動(dòng)鉆孔布置示意Fig.2 Schematic diagram for layout of disturbance boreholes

2.2 水力撓動(dòng)試驗(yàn)

煤礦井下選用高壓注水泵，型號為BYW50/315J，外形尺寸400 mm×1 400 mm×1 600 mm，重量8 800 kg，電機(jī)功率315 kW。泵的最大應(yīng)用壓力可達(dá)60 MPa，最大流量可達(dá)57 m3/h，可以滿足不同煤巖撓動(dòng)致裂需要。

注水時(shí)間與泵注壓力、泵注速度等相關(guān)參數(shù)緊密相聯(lián)，不同泵注壓力、泵注流量下高壓水致裂達(dá)到預(yù)期效果的時(shí)間也不同。注水時(shí)間需要根據(jù)注水過程中泵注流量和壓力的變化確定，時(shí)間一般控制在2 h以內(nèi)。

自動(dòng)采集注水過程中的壓力、流量參數(shù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制2個(gè)參數(shù)變化曲線，如圖3所示。

圖3 撓動(dòng)鉆孔注水壓力及流量曲線Fig.3 Curves of water injection pressure and flow of disturbance boreholes

由圖3可知：

1)頂板砂巖撓動(dòng)鉆孔的注水壓力實(shí)時(shí)曲線可分為以下4個(gè)階段。

①Ⅰ階段，由于原生裂隙的存在，在開始注水的較短時(shí)間內(nèi)，由于水對裂隙的充填，水壓未顯示數(shù)值。

②Ⅱ階段，隨著裂隙水逐漸飽和，壓力開始直線攀升。當(dāng)壓力達(dá)到砂巖的破斷壓力時(shí)，由于巖石內(nèi)撓動(dòng)裂縫的出現(xiàn)，水侵入到后期新形成的裂縫內(nèi)部，壓力開始下降。

③Ⅲ階段，隨著高壓水的不斷注入并在裂縫內(nèi)累積，壓力又重新恢復(fù)，水壓再次迅速達(dá)到砂巖的破裂壓力，后期以上過程反復(fù)出現(xiàn)導(dǎo)致多次破裂隨之發(fā)生，裂縫擴(kuò)展不斷向前[13]。故此過程中共出現(xiàn)3個(gè)壓力高點(diǎn)。

④Ⅳ階段，壓裂影響范圍內(nèi)巖石內(nèi)部裂縫總體積與總的泵注量達(dá)到平衡后，壓力基本穩(wěn)定在1個(gè)恒定值。此時(shí)，砂巖基本完全被高壓水壓裂[14]；持續(xù)一段時(shí)間后，關(guān)泵停注。

2)煤層撓動(dòng)鉆孔的水壓實(shí)時(shí)曲線同樣可分為4個(gè)階段。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ階段與巖石撓動(dòng)鉆孔基本一致。但在第Ⅳ階段內(nèi)，高水壓下煤體發(fā)生塑性變形。水在塑性煤體結(jié)合形成煤泥(漿)，煤體原始及后期撓動(dòng)裂隙被煤泥堵死，新的裂隙不再產(chǎn)生，注水壓力不斷攀升；不斷攀升的水壓明顯超過煤體的破裂壓力，塑性煤體被壓實(shí)，關(guān)泵停注。

由圖3還可以看出，砂巖及煤層撓動(dòng)鉆孔注水過程中注水流量與水壓力呈反向趨勢，壓力升高對應(yīng)著流量下降，反之亦然；砂巖撓動(dòng)鉆孔的最大破斷壓力為21.53 MPa，明顯大于煤層的14.56 MPa。

2.3 水力撓動(dòng)卸壓增透效果考察

1)自然瓦斯流量、衰減系數(shù)測試

煤層鉆孔撓動(dòng)前測試有10組鉆孔自然瓦斯流量，撓動(dòng)結(jié)束待鉆孔不再流水后，分別對頂板砂巖和煤層撓動(dòng)鉆孔的的自然瓦斯流量進(jìn)行測試,測試間隔時(shí)間為12 h，2鉆孔分別采集數(shù)據(jù)10組，結(jié)果見表1。對鉆孔自然瓦斯流量及測定時(shí)間擬合得出流量衰減系數(shù)α，并根據(jù)表2判定瓦斯抽放難易程度，衰減系數(shù)α越大煤層抽放難度越高，反之越低[15]。2個(gè)撓動(dòng)鉆孔的流量-時(shí)間擬合公式如式(1)所示。擬合曲線如圖4所示。

qt=q0e-αt

(1)

表1 頂板及軟煤鉆孔自然瓦斯流量Table 1 Natural gas flow of roof and soft coal boreholes m3/min

表2 煤層瓦斯抽放難易程度Table 2 Classification of difficulty for gas drainage in coal seam

式中：t為鉆孔自排瓦斯時(shí)間，d；qt為自排時(shí)間t時(shí)的自然瓦斯流量，m3/min；q0為t=0時(shí)的鉆孔自然瓦斯流量，m3/min；α為自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1。

由圖4可知，撓動(dòng)后頂板砂巖鉆孔的自然瓦斯流量大幅度增加；根據(jù)擬合曲線可知，撓動(dòng)前流量衰減系數(shù)α為0.641 7，撓動(dòng)后降低為0.037 1。自然瓦斯流量的大幅增加及衰減系數(shù)的急劇下降同時(shí)證明頂板砂巖撓動(dòng)鉆孔的卸壓增透效果。與此相反，撓動(dòng)后煤層鉆孔自然瓦斯流量大幅下降，同時(shí)衰減系數(shù)有所增大，變?yōu)?.770 7，自然瓦斯流量的降低及衰減系數(shù)增大也說明水力撓動(dòng)措施非但未使煤層瓦斯解吸量增加，反而抑制解吸效果。

圖4 鉆孔自然瓦斯流量與時(shí)間擬合關(guān)系Fig.4 Fitting relationship between natural gas flow of boreholes and time

2)鉆孔抽采流量與濃度考察

自然瓦斯流量測試結(jié)束后，將2個(gè)撓動(dòng)鉆孔與抽放系統(tǒng)連接。觀測瓦斯抽放流量及濃度，時(shí)間為30 d。同時(shí)考察1組未進(jìn)行水力撓動(dòng)抽放鉆孔的瓦斯數(shù)據(jù)，見表3。

表3 鉆孔瓦斯抽放數(shù)據(jù)Table 3 Gas drainage datum of boreholes

表3(續(xù))

分別繪制撓動(dòng)鉆孔、未撓動(dòng)鉆孔的單孔瓦斯抽采流量、抽采濃度及累計(jì)瓦斯抽采純量對比關(guān)系圖，如圖5所示。

由圖5可知，未撓動(dòng)鉆孔的單孔抽放流量最大，為0.230 m3/min，平均為0.134 m3/min；抽采濃度最高為30.35%，平均為19.7%；1個(gè)月內(nèi)，累計(jì)抽采純量為1 179.6 m3。

圖5 瓦斯抽采流量、濃度及累計(jì)純量對比關(guān)系Fig.5 Contrast relationship of gas drainage flow,concentration and cumulative pure flow

砂巖撓動(dòng)鉆孔的最大抽放流量為0.619 m3/min，平均為0.41 m3/min；抽采濃度最高為78.34%，平均為57.87%，即使連管抽放30 d后，抽采濃度仍保持在40%以上；1個(gè)月時(shí)間內(nèi)，共抽采瓦斯純量高達(dá)10 637 m3，是未撓動(dòng)煤層鉆孔的9倍。這些指標(biāo)均表明高壓水撓動(dòng)作用下煤層瓦斯抽采效果較明顯。

相反，煤層撓動(dòng)鉆孔的單孔抽放流量最大值為0.183 m3/min，平均值為0.106 m3/min；抽采濃度最大值為22.38%，平均為13.11%；30 d累計(jì)抽采純量為615.61 m3。撓動(dòng)后煤層鉆孔的單孔抽采流量、濃度及純量指標(biāo)有所降低，相關(guān)指標(biāo)的降低說明水力撓動(dòng)未能使松軟煤層內(nèi)部產(chǎn)生有利于瓦斯擴(kuò)散和滲流的裂隙，相反，瓦斯?jié)B流通道一定程度上被封堵，瓦斯?jié)B流受阻。

3 結(jié)論

1)鉆孔撓動(dòng)后，砂巖基本完全被高壓水壓裂；相反，煤層鉆孔的原始及后期致裂裂隙被煤泥封堵，煤體被壓實(shí)。

2)撓動(dòng)后頂板砂巖鉆孔瓦斯流量、濃度及累計(jì)抽采純量大幅增加，煤層透氣性系數(shù)急劇降低；煤層撓動(dòng)鉆孔的相應(yīng)指標(biāo)與前者相反。

3)將撓動(dòng)對象轉(zhuǎn)移至煤層頂板可克服水力撓動(dòng)對松軟煤層強(qiáng)制卸壓增透的局限性。