水壓預(yù)裂工作面瓦斯抽采高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

祝 琨，劉文崗,，劉慶林，黨業(yè)龍，余 杰，劉 輝，董 浩，吳 越，王 寧

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；3.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710054)

隨著我國煤炭需求量的增加，煤炭的高產(chǎn)高效開采已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，但是由于開采強(qiáng)度的增加，造成工作面瓦斯涌出量增大，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限，嚴(yán)重制約了煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。U型通風(fēng)工作面的瓦斯治理主要采用風(fēng)排瓦斯和高位鉆孔抽排的方法，但若高位鉆孔的工藝參數(shù)不合理，則會形成抽采盲區(qū)，導(dǎo)致瓦斯抽采效率較低，嚴(yán)重影響工作面的回采，高位鉆孔的合理布置決定著瓦斯的抽采效果[3-6]，因此，優(yōu)化高位鉆孔抽采工藝參數(shù)成為現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對高位鉆孔瓦斯抽采工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。KARACAN[3]采用動態(tài)三維建模，探究了不同高度瓦斯抽采鉆孔模式的抽采效果，結(jié)果表明高位鉆孔在減少瓦斯排放量上效果突出；趙丹等[7]計(jì)算了煤層上覆巖層移動“三帶”高度，利用數(shù)值模擬軟件對高位鉆孔的仰角、方位角、鉆孔長度等因素進(jìn)行數(shù)值分析，最終確定高位鉆孔的最佳布置參數(shù)；劉桂麗等[8]基于覆巖裂隙瓦斯流動規(guī)律，從覆巖“豎三帶”“O”形圈理論出發(fā)，對高位鉆孔的理論合理布置區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了研究的正確性；高宏等[9]理論計(jì)算了影響高位鉆孔抽采的關(guān)鍵工藝參數(shù)，利用Comsol數(shù)值模擬軟件分析了抽采時間和抽采負(fù)壓對高位鉆孔抽采的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化高位鉆孔參數(shù)；韓兵[10]分析U型通風(fēng)上隅角瓦斯集聚區(qū)域分布特征，提出采用高位定向鉆孔抽采技術(shù)將裂隙帶與工作面上隅角構(gòu)成聯(lián)通系統(tǒng)，最終使得采空區(qū)瓦斯抽采方式得到優(yōu)化。

上述研究主要從覆巖裂隙瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其富集區(qū)域分布等相關(guān)因素分析提高高位鉆孔瓦斯抽采效率的措施，而對于低滲透性高瓦斯煤層高位鉆孔抽采參數(shù)優(yōu)化的研究相對較少。鑒于此，本文針對新疆東溝煤礦143綜采工作面的實(shí)際情況，利用理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法對其高位鉆孔合理參數(shù)進(jìn)行分析，獲得最佳布孔參數(shù)。

1 工程概況

2 143綜采工作面端頭懸頂水壓預(yù)裂技術(shù)試驗(yàn)研究

2.1 水壓預(yù)裂鉆孔布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)143工作面頂板的巖層結(jié)構(gòu)、巖性及開采技術(shù)條件等，143工作面采掘巷道布置及水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域布置圖如圖1所示。水壓預(yù)裂方案設(shè)計(jì)如下所述。

圖1 143工作面采掘巷道布置及水壓預(yù)裂試驗(yàn)區(qū)域布置圖Fig.1 Layout of mining roadway and hydraulic presplitting test area in 143 working face

1) 基于工作面水壓預(yù)裂工程經(jīng)驗(yàn)，并匹配原有設(shè)備的壓裂能力，由文獻(xiàn)[11]可知壓裂鉆孔間距為10 m。

2) 通過分析該地區(qū)地質(zhì)資料，該工作面上覆基巖巖層的直接頂破碎，易垮落。

3) 工作面老頂厚度為7.5 m左右，整體強(qiáng)度高，塊度大，屬重點(diǎn)壓裂區(qū)域。

2.2 水壓預(yù)裂鉆孔布置

2.2.1 143工作面上隅角懸頂水壓預(yù)裂方案

沿143工作面回風(fēng)巷道向143工作面回風(fēng)上隅角施工壓裂鉆孔H，鉆孔H開孔位置在143工作面回風(fēng)順槽超前支架第一個超前小支架前，距離工作面煤壁25.5 m處。鉆孔H長度為32.87 m，傾角為21°，每個鉆孔壓裂3次，每次壓裂30 min，壓裂參數(shù)見表1，鉆孔布置如圖2(a)所示。

表1 143工作面上端頭壓裂鉆孔優(yōu)化壓裂參數(shù)Table 1 Optimization of fracturing parameters for end fracturing drillings in 143 working face

2.2.2 143工作面下隅角懸頂水壓預(yù)裂方案

1) 在145工作面回風(fēng)巷道向143工作面運(yùn)輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔：鉆孔A(A1～A5)和鉆孔B(B1～B5)，計(jì)劃將鉆孔A、鉆孔B交替垂直巷道幫部布置，如圖2(b)和圖2(c)所示。

圖2 143工作面上下隅角水壓預(yù)裂鉆孔布置圖Fig.2 Layout of hydraulic presplitting drillings in upper and lower corners of 143 working face

2) 鉆孔A1、鉆孔B1、鉆孔A2、鉆孔B2、鉆孔A3位于架后，鉆孔B3、鉆孔A4、鉆孔B4、鉆孔A5、鉆孔B5位于超前段。

3) 鉆孔A和鉆孔B開口位置距離底板3.1 m處。鉆孔進(jìn)尺總計(jì)：36.34 m×5=181.7 m(鉆孔A)+33.3 m×5=348.2 m(鉆孔B)。

段主任幾乎將聽診器往我前胸一搭，便一口斷定說，是我的氣管堵了。接過C T片一看，便更加確定了。遲疑地問：在當(dāng)?shù)蒯t(yī)院看過病嗎？我說：看過。段主任問：拍過C T嗎？我說：拍過。老婆見問，連忙把在家拍的C T片遞過去。段主任看過，指著片上一小片陰影兒說：看見沒，你氣管里這東西長了。

2.3 水壓預(yù)裂參數(shù)的控制

1) 壓裂壓力。根據(jù)水壓預(yù)裂理論計(jì)算以及水壓預(yù)裂技術(shù)在其他礦區(qū)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本次水壓預(yù)裂壓力為11.5～35.0 MPa。

2) 壓裂段數(shù)。根據(jù)壓裂擴(kuò)展半徑、端頭壓裂目標(biāo)及巖層厚度可確定壓裂段數(shù)，從鉆孔底部逐步向孔口壓裂，壓裂間隔4.5 m，壓裂段數(shù)2次。

3) 壓裂時間。工作面后方鉆孔及超前高位鉆孔單次壓裂時間為25～30 min，超前段低位鉆孔壓裂時間控制為10～15 min。

4) 壓裂鉆孔封孔。為防止采空區(qū)漏風(fēng)、有毒有害氣體外泄，壓裂結(jié)束后，要及時對壓裂鉆孔進(jìn)行封孔，采用“兩堵一注”帶壓封孔法，即先在鉆孔的兩端用袋裝聚氨酯進(jìn)行封堵，待發(fā)泡封孔袋、膨脹并凝結(jié)后，再通過注漿管對兩端聚氨酯封堵段之間的鉆孔段進(jìn)行注漿，在注漿壓力的作用下，漿液向鉆孔壁滲透并填充鉆孔周圍裂縫。施工前提前注備好封孔材料運(yùn)至現(xiàn)場，包括封孔泵、注漿管、水泥、聚氨酯等。封孔長度不得小于8 m(兩頭聚氨酯封孔各2 m，中部水泥漿4 m)。封孔步驟為安裝注漿管→聚氨酯封孔→注水泥漿→關(guān)閉注漿管閥門→封孔結(jié)束。

2.4 水壓裂后上隅角瓦斯?jié)舛确植甲兓闆r及特征

水壓預(yù)裂后頂板裂隙更加發(fā)育，促進(jìn)工作面上下隅角垮落帶頂板及時垮落、裂隙帶斷裂下沉。143工作面平均傾角為13°，通過水壓預(yù)裂，上隅角頂板及時跨落后，采動空間和裂隙成為上隅角游離瓦斯聚集區(qū)域。高位鉆孔終孔位置施工在此段區(qū)域內(nèi)時，高濃度瓦斯由頂部裂隙區(qū)鉆孔抽排，上隅角瓦斯大幅度減少。水壓預(yù)裂前后上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€如圖3所示，2018年3月14日第一次預(yù)裂，之前未進(jìn)行水壓預(yù)裂，工作面配風(fēng)量由1 140 m3/min增至1 800 m3/min，143工作面上隅角的瓦斯?jié)舛葹?.8%～1.3%；2018年3月18日第二次預(yù)裂，2018年3月22日第三次預(yù)裂，水壓預(yù)裂完畢后，在上隅角掛風(fēng)障、低負(fù)壓抽采、高位鉆孔預(yù)抽、水壓預(yù)裂的共同作用下，上隅角的瓦斯?jié)舛葹?.18%～0.30%，為了進(jìn)一步增強(qiáng)上隅角瓦斯抽采效果，還需對高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 水壓預(yù)裂后工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€圖Fig.3 Variation curve of gas concentration in upper corner of working face after hydraulic presplitting

3 抽采鉆孔設(shè)計(jì)理論計(jì)算

3.1 覆巖裂隙帶高度預(yù)測

高位鉆孔的有效長度、利用率、鉆場高度、距離、鉆孔數(shù)量和間距等參數(shù)，決定了抽采效果的優(yōu)劣，基于理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將鉆孔布置在裂隙帶中，才能夠發(fā)揮其最大作用。礦井綜采工作面覆巖裂隙帶高度計(jì)算公式見表2和表3。

表2 冒落高度計(jì)算公式Table 2 Calculation formula of caving height

表3 裂隙帶高度計(jì)算公式Table 3 Calculation formula of fracture zone height

根據(jù)新疆東溝煤礦地質(zhì)勘查資料，偽頂主要巖性為炭質(zhì)泥巖，直接頂主要巖性為粉砂巖，老頂主要巖性為粗砂巖，底板巖性主要為粉砂巖與泥巖，根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果，按照中硬巖層計(jì)算143工作面冒落帶高度和裂隙帶高度，其計(jì)算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；∑M為煤層開采累計(jì)厚度，m。 經(jīng)計(jì)算冒落帶高度為7.08～11.48 m；裂隙帶高度為30.79～41.99 m。

3.2 鉆場間距和數(shù)量的確定

確定鉆場間距是確保鉆孔與鉆孔間實(shí)現(xiàn)有效長度的搭接的重要手段，能夠保障鉆孔的高效抽采、有效利用率、長度及鉆場間距，其計(jì)算過程見式(3)～式(5)。

(3)

Ls=Lycosα

(4)

(5)

式中：ρ為鉆孔有效率，%；HK為鉆孔孔隙垂高，m；Hm采空區(qū)冒落帶高度，m；Ls為鉆場間距，m；Ly為鉆孔有效長度，m；α為鉆孔仰角，(°)；N為高位鉆孔個數(shù)，個；Q為鉆場合計(jì)抽采純量，m3/min；D為鉆孔直徑，mm；V為瓦斯流動速度，m/s；C為抽采瓦斯?jié)舛龋?。

根據(jù)上述對冒落帶和裂隙帶的初步計(jì)算，原設(shè)計(jì)高位鉆孔布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，每組布置9個孔，鉆場之間的間距為40 m。

4 高位鉆孔優(yōu)化及抽采效果分析

4.1 水壓裂控制下高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)回采工作面礦山壓力規(guī)律，隨著工作面的回采，煤層在工作面周圍將形成一個采動壓力場，形成豎“三帶”、橫“三區(qū)”，在采動應(yīng)力場中形成的裂隙空間便成為瓦斯流動的通道，高位鉆孔抽采的關(guān)鍵是選擇最佳的布孔層位和鉆孔與回風(fēng)巷之間的平距，因此，將抽采鉆孔布置在工作面煤層頂板上部的裂隙帶內(nèi)才能獲得最佳抽采效果。

根據(jù)這一原理，參考該高位鉆場瓦斯抽采的鉆孔參數(shù)，結(jié)合取得的實(shí)際效果優(yōu)化下一個高位鉆場的瓦斯抽采鉆孔相關(guān)參數(shù)，具體優(yōu)化步驟如下所述。

1) 高位鉆場的優(yōu)化。1#高位鉆場施工時，是以143工作面回風(fēng)順槽為基礎(chǔ)，內(nèi)厝15 m，底板抬高10 m的位置開拓高位鉆場，施工工程量太大，耗工費(fèi)時，其次是施工全部為巖石巷道。所以，后續(xù)高位鉆場施工時，在143工作面回風(fēng)順槽采幫側(cè)施工高位鉆場，高位鉆場在143工作面回風(fēng)順槽巷道底板高度的基礎(chǔ)上，抬高1 m作為鉆場底板高度，高位孔在直接頂內(nèi)施工，以此避免鉆孔在偽頂中施工造成塌孔現(xiàn)象。高位鉆孔布置圖如圖4所示。

圖4 143工作面回風(fēng)順槽高位鉆孔布置圖Fig.4 Layout of high level boreholes in return air duct of 143 working face

2) 鉆孔終孔高度優(yōu)化。必須將抽采鉆孔終孔距布置在工作面煤層頂板的裂隙帶內(nèi)，由于水壓預(yù)裂導(dǎo)致裂隙帶高度上移，所以將鉆孔終孔控制高度控制在15～25 m。鉆孔優(yōu)化前后控制高度如圖5所示，其中方框區(qū)域?yàn)閮?yōu)化后增加的控制高程范圍。高位鉆孔施工參數(shù)見表3。

圖5 鉆孔優(yōu)化前后控制高度對照示意圖Fig.5 Control height comparison before and after drilling optimization

表3 高位鉆孔施工參數(shù)表Table 3 Construction parameters of high level drilling

3) 高位鉆孔終孔間距優(yōu)化。鉆孔開始抽出裂隙帶瓦斯時，相應(yīng)滯后于工作面，這一距離稱為“開始抽出距離”，從開始抽出距離到鉆孔失去作用這一段距離稱為“有效抽采距離”。根據(jù)理論參考數(shù)據(jù)以及上一個鉆場的數(shù)據(jù)，終孔間距調(diào)整至8 m，終孔距離回風(fēng)順槽1～41 m為最佳，鉆孔終孔平距控制范圍優(yōu)化前后對比圖如圖6所示。 圖6中實(shí)線所示區(qū)域?yàn)閮?yōu)化前控制范圍，虛線所示區(qū)域?yàn)閮?yōu)化后控制范圍。

圖6 鉆孔終孔優(yōu)化前后控制距離對照圖Fig.6 Comparison of control distance before and after optimization of final hole drilling

4) 減少鉆孔數(shù)量。由之前的12個孔減少到6個孔，優(yōu)化后高位鉆孔平面布置圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后高位鉆孔平面布置圖Fig.7 Layout of optimized high level drilling

4.2 優(yōu)化前后抽采效果分析

根據(jù)143綜放工作面回風(fēng)巷瓦斯的實(shí)際測定，得到整個回采期間工作面回風(fēng)中平均瓦斯變化規(guī)律。工作面回采期間回風(fēng)巷瓦斯平均濃度如圖8所示。由圖8可知，高位鉆孔優(yōu)化前整個回采期間工作面瓦斯?jié)舛确秶痉€(wěn)定在2.73%～2.78%之間，最大平均濃度為2.88%；優(yōu)化后工作面瓦斯?jié)舛确秶痉€(wěn)定在2.67%～2.70%之間，最大平均濃度為2.77%，說明優(yōu)化后瓦斯抽采效果顯著提高，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低。

圖8 優(yōu)化前后回風(fēng)巷濃度對比Fig.8 Concentration comparison of return air roadway before and after optimization

5 結(jié) 論

1) 通過懸頂水壓預(yù)裂試驗(yàn)表明，端頭懸頂走向長度從27～30 m降為5～8 m，傾向?qū)挾葟?0～15 m降為2～5 m，工作面上隅角瓦斯控制在0.3%左右。

2) 水壓預(yù)裂必須合理定期開展才能確保高位鉆孔抽采對上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂啤?/p>

3) 通過分析143工作面上部瓦斯積聚的隱患區(qū)范圍(頂板冒落帶和垮落裂隙帶高度)，并從鉆場位置、鉆孔高度、鉆孔間距和鉆孔數(shù)量優(yōu)化了工作面高位瓦斯抽采鉆孔布置方案，為瓦斯抽采高位鉆孔、高位鉆場設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

4) 通過在143工作面回風(fēng)順槽巷道底板高度的基礎(chǔ)上抬高1 m，向采幫側(cè)開拓鉆場來優(yōu)化高位鉆場，使高位孔能在直接頂內(nèi)施工，以此避免鉆孔在偽頂中施工造成的塌孔現(xiàn)象。此外，優(yōu)化后，終孔控制高度控制在15～25 m，終孔間距調(diào)整至8 m，終孔距離回風(fēng)順槽1～41 m為最佳，鉆孔數(shù)量由原前的12個孔減少到6個孔。