極低透氣性構造軟煤瓦斯抽采技術應用研究

吳鵬飛，李 普，尚政杰

(1.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司 大平煤礦，河南 新密 452470；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.鄭煤集團通防部，河南 鄭州 450042；4.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司 白坪煤礦，河南 新密 452470)

煤炭在我國一次性能源消費結構中占比舉足輕重，并且隨著國家經濟持續飛速發展，在未來很長一段時間內都會占較高的比例[1-3]。現階段，我國煤炭開采逐步向西部和深部轉移，煤層賦存條件更加復雜多變，煤與瓦斯突出災害更加嚴重[4-6]。部分礦井開采進入全層構造煤，煤質松軟、透氣性差，瓦斯災害防治更加困難。為了解決該類煤層瓦斯抽采技術難題，研究了制約煤層瓦斯抽采的主控因素，提出了基于工程化思維，系統考慮優化封孔工藝、鉆孔修復及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術體系，既提高了抽采效果，又降低了煤與瓦斯突出災害防治成本，且縮短了消突時間，為該類煤層安全、經濟開采提供技術支撐。

1 極低透氣性構造煤瓦斯抽采影響因素

隨著現代化科學測試技術的發展，國內外研究學者開始考慮溫度場、電磁場及地應力場等對煤層內瓦斯流動的影響，對煤層瓦斯滲流過程中的各種物理效應進行了測試和研究，并以此為基礎發展形成瓦斯流動多物理場耦合理論，建立了更為科學的瓦斯流動模型，得出了煤體在三軸應力的作用下，煤樣滲透性與應力有關，滲透率隨應力的增加而呈指數形式減小，瓦斯在煤層中的運移主要受煤層瓦斯壓力、煤層透氣性系數控制[7-9]。因此，煤層透氣性系數是影響瓦斯抽采的重要因素。

鉆孔瓦斯抽采是煤礦井下瓦斯災害防治的重要舉措之一[10-12]，針對低透氣性煤層，國內學者提出了煤層強化增透技術，如水力沖孔、割縫、壓裂等，一定程度上減小了瓦斯安全隱患。但是透氣性極差條件下的全層構造軟煤，目前沒有成熟的瓦斯抽采技術，幾乎是瓦斯抽采的禁區[13-15]，制約該類煤層瓦斯抽采的主要客觀因素為難以成孔和封孔。長期抽采實踐表明，低透氣性構造軟煤采用水力沖孔、割縫、壓裂等增透技術措施，一定程度上提高了煤層透氣性，瓦斯抽采初期，瓦斯濃度高、流量大，但是衰減較快，長期抽采則出現塌孔、堵孔現象[16-18]。據不完全統計，塌孔、堵孔現象可達50%，幾乎處于報廢狀態，很難發揮作用。

鑒于此，提出了優化封孔工藝、鉆孔修復及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術體系。

2 基于工程化思維瓦斯抽采新工藝應用

2.1 極低透氣性構造軟煤瓦斯地質賦存

白坪煤礦隸屬于鄭煤集團，為煤與瓦斯突出礦井，設計生產能力180萬t/a。礦井主采煤層為山西組二1煤層，研究區域位于礦井東區的13031工作面。受滑動構造影響，煤層厚度變化較大，煤層厚0.3～17.8 m。煤的原生結構和構造完全受到破壞，局部見構造煤二次壓固成煤，塊狀，不具原生結構煤的特點，強度很低，指壓易碎，煤層堅固性系數一般小于0.15。ΔP值一般大于20，平均17.7。煤層透氣性系數0.000 159 7～0.262 100 0 m2/(MPa2·d)，平均0.003 2 m2/(MPa2·d)。順層鉆孔瓦斯流量衰減系數0.12～3.15 d-1，平均1.6 d-1；穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數5.80～29.21 d-1，平均16.06 d-1。13031工作面實測原始瓦斯含量6.00～9.29 m3/t，平均6.08 m3/t，原始瓦斯壓力0.16～1.74 MPa，瓦斯分布極不均勻且與埋深無關。總體上屬于較難抽采煤層。

2.2 瓦斯抽采新工藝技術方案

13031工作面煤層賦存條件復雜，傳統瓦斯抽采技術難以降低煤層瓦斯含量、減小工作面瓦斯涌出量。采用優化封孔工藝、鉆孔修復及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術提高瓦斯抽采效果，保障工作面安全回采。

試驗巷道段設計32個鉆孔。其中，正常抽采孔4組，16個孔；優化抽采孔4組，16個孔，孔徑均為94 mm。第1、3、5、7組鉆孔為傳統抽采鉆孔，未采取優化措施；第2、4、6、8組鉆孔為新工藝抽采鉆孔，交叉布置，便于對比分析，如圖1所示。

圖1 試驗穿層抽采鉆孔平面布置Fig.1 Plane layout of test cross layer extraction boreholes

單孔計負壓、濃度、流量，試驗期間每2 d觀測1次,以確切掌握抽采鉆孔瓦斯流量、濃度、負壓等參數變化。

2.3 優化封孔工藝瓦斯抽采效果分析

第2、4組鉆孔屬于優化封孔工藝鉆孔，目的是考察在封孔深度5 m，優化使用簡易膠囊封孔器封孔，如圖2所示。封孔器前端連接φ50 mm、長3 m的PVC花管，優化封孔條件下流量及濃度變化特征，同時也為進一步鉆孔修復打下基礎。

圖2 FK-100型囊袋式簡易封孔器Fig.2 Fk-100 pocket type simple hole sealer

優化封孔采用簡易膠囊充氣膨脹，初期不能完全封堵抽采孔，會留有縫隙，負壓抽采時，空氣會從縫隙中流入，造成濃度偏小，抽采一段時間后，鉆孔收縮，簡易膠囊封孔的密封性會逐漸變好。孔板測試濃度變化如圖3所示，抽采初期瓦斯濃度降低較快，約1個月后，抽采濃度出現明顯反彈，并且持續一定的時間。

圖3 第2、4組抽采孔瓦斯濃度變化趨勢Fig.3 Change trend of gas concentration in the second and fourth groups of drainage holes

優化封孔方式后，與傳統抽采孔相比隨著抽采時間延長，抽采負壓、抽采濃度、抽采混合量與抽采純量之間均呈正/余弦曲線變化的趨勢，而且具有一定的對應性。抽采濃度明顯下降，但抽采純量總體變化不大，對比鉆孔瓦斯抽采純量見表1。表1中4組鉆孔均連續觀測抽采4個月，可以看出優化封孔后與傳統囊袋封孔方式相比，鉆孔平均抽采濃度有所降低，但抽采量變化不大。從圖3也可以看出，孔板測試濃度變化的一個顯著特征是抽采初期瓦斯濃度降低較快，但大約1個月后，抽采濃度出現明顯反彈，并且持續一定的時間，說明采用簡易膠囊封孔優化封孔后期效果較好，同時優化封孔后為后續鉆孔修復及二次卸壓增透提供便利。

表1 優化封孔工藝后瓦斯抽采效果對比Tab.1 Comparison of gas drainage effect after optimized sealing method

2.4 鉆孔修復及二次卸壓增透瓦斯抽采效果分析

第6、8組鉆孔屬于鉆孔修復及二次卸壓增透鉆孔(圖1)，目的是考察優化封孔抽采1個月后拆開封孔器實施鉆孔修復及二次卸壓增透再次封孔抽采條件下的流量及濃度變化特征。鉆孔修復及二次卸壓增透是將高壓水送進鉆孔內，一方面，沖去堵塞鉆孔的浮煤和碎煤，起到修復解堵老孔的作用；另一方面，利用高壓水破煤，起到二次卸壓增透作用。

圖4 鉆孔修復及二次卸壓增透示意Fig.4 Schematic diagram of borehole repair and secondary pressure relief and permeability enhancement

鉆孔修復的目的是疏通鉆孔并提高透氣性，煤體在高壓水射流的沖擊下發生壓碎破壞、拉伸破壞和應力波破壞，而應力波破壞又可通過應力波的傳播擴大高壓水射流沖擊煤體的影響范圍。煤體破碎被沖出后，隨著定點射孔作業的不斷進行，鉆孔周圍部分煤體被逐漸沖出，在煤體中造成洞穴，鉆孔周圍應力重新分布。如果煤(巖)體強度較低不能抵抗較高的應力，鉆孔周圍將產生塑性區甚至破碎，應力向深部轉移，在一定范圍內將會產生應力集中和應力降低，形成卸壓帶，實現二次卸壓增透。

為考察優化封孔+鉆孔修復及二次卸壓增透瓦斯抽采效果，布置第6、8組抽采孔，連續觀測3個月，抽采濃度如圖5所示。

圖5 第6、8組抽采孔瓦斯濃度變化趨勢Fig.5 Change trend of gas concentration in the sixth and eighth groups of drainage holes

鉆孔修復及二次卸壓增透是在優化封孔條件下進一步采取的強化抽采措施，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，是傳統抽采鉆孔的1.41～1.85倍。連續抽采3個月觀測抽采數據見表2。從表2可知，優化封孔+鉆孔修復及二次卸壓增透優化抽采，與第5、7組對比，瓦斯抽采平均濃度和抽采量均明顯提高，且瓦斯抽采純量3個月抽采量遠超過了傳統4個月抽采量，有效提高了瓦斯抽采效率和抽采量，單孔平均瓦斯抽采量是優化前的3.11～3.85倍。

表2 修復增透鉆孔與傳統抽采鉆孔抽采效果對比Tab.2 Comparison of drainage effect between repairing and increasing permeability drilling hole and traditional extraction drilling hole

通過以上分析可以得出，抽采孔首次采用優化后的簡易膠囊封孔，進行鉆孔修復及二次卸壓增透，在低負壓狀態下，有效避免了因負壓過大導致的抽采孔漏氣現象，提高了瓦斯抽采效率、抽采量，降低了管道維修成本，對于該類極低透氣性煤層井下預抽煤層瓦斯意義較大。

3 結語

(1)對極低透氣性構造軟煤瓦斯抽采主控因素進行了分析，提出了優化封孔工藝、鉆孔修復及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術體系。

(2)對比分析了傳統鉆孔與優化鉆孔抽采效果，通過現場試驗優化封孔工藝+鉆孔修復及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術體系，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，是傳統瓦斯抽采鉆孔的1.41～1.85倍，有效提高了瓦斯抽采效率；優化后3個月瓦斯抽采純量遠超過了傳統鉆孔4個月抽采量，單孔平均瓦斯抽采量是優化前的3.11～3.85倍。