煤礦下向抽采鉆孔積水診斷與積水量計算方法研究

馬宏宇，趙清全，李 朝，張倍寧，石明富

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶 400037；3.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201； 4.云南滇東雨汪能源有限公司 雨汪煤礦，云南 曲靖 655507； 5.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070)

煤礦下向抽采鉆孔積水原因有地質裂隙水(含承壓水)、施工廢水。診斷下向抽采鉆孔是否存在積水的方法主要為直觀診斷法，包括觀測鉆孔內部的積水情況，聽取抽采管路內部的超抽采聲音，觀察放水器的放水流量等。這種方法屬于經驗性的方法，需要人工長時間的觀測，并且觀測的結果只能定性的分析積水情況，不能科學客觀地指導下向鉆孔積水診斷[1-6]。另外，采用直觀診斷法發現時下向抽采鉆孔也已經積水，不能夠提前進行預測把握排水時機。在上述直觀診斷法的基礎上，提出了下向鉆孔積水異常診斷方法，建立積水判斷標準，以提前預測下向鉆孔積水狀態，為及時采取有效的排水措施奠定基礎[7-11]。

1 下向抽采鉆孔積水原因

綜合分析下向鉆孔積水原因，主要包括煤巖層賦水和鉆孔施工用水。下向抽采鉆孔積水對瓦斯抽采效果影響很大，隨著抽采鉆孔被積水封堵的面積和長度的增加，鉆孔內部瓦斯運移通道被封堵或直接減小，導致鉆孔內瓦斯抽采失效。鉆孔積水不僅降低了孔內瓦斯氣流的有效斷面，而且增大了抽采負壓損耗。我國部分煤礦在煤層頂底板存在賦水層，煤巖賦水層是瓦斯抽采過程中的重要影響因素之一，賦水層通常處于承壓狀態，具有一定的水壓。當下向抽采鉆孔施工經過賦水層時，在未采取堵水和排水措施的情況下，承壓水依靠壓力進入抽采鉆孔，水壓足夠大的話，將充滿整個鉆孔且對鉆孔浸潤產生破壞，抑制煤層瓦斯解吸和封存瓦斯，導致瓦斯抽采效果降低。因為下向鉆孔積水導致不能正常抽采煤層瓦斯，給煤礦瓦斯治理工作帶來了困擾。因此，針對下向鉆孔穿越賦水層，必須選用合理的排水技術。國內部分煤礦企業已經認識到下向鉆孔排水的重要性，先后進行了下向鉆孔排水的有益嘗試，并取得了一定成效，如龍煤礦業集團公司鶴崗分公司興山煤礦、淮南礦業集團公司潘二煤礦等。

下向鉆孔積水指的是下向鉆孔內的水不能被抽采瓦斯氣體有效攜帶出而使水在鉆孔中積聚的現象。隨著下向鉆孔的積水量的不斷增多，鉆孔有效抽采時間不斷縮短，瓦斯抽采量不斷下降，當積水量足夠大的話，甚至無法抽出瓦斯。當下向抽采鉆孔積水量較少時，鉆孔內的負壓和流速足夠高，可以將部分積水以霧流形式攜帶出，少部分水滯留在鉆孔中；當下向抽采鉆孔積水量較大時，鉆孔內的抽采負壓和氣體流速不足以把積水帶出，在孔內積聚大量積水，導致鉆孔抽采率降低。

下向鉆孔在施工后，細粒煤和巖粉沉淀、附著、膠結在鉆孔壁，隨著積聚量的增多，會發生堵孔的現象，導致鉆孔抽采失效。多種因素綜合作用導致巖粉、細粒煤的產生，鉆孔施工工程擾動是煤粉產出的誘因，煤巖自身的性質是煤粉產出的基礎，細粒煤和煤粉的形成一方面來自于鉆孔周圍煤層本身變形破壞，更主要的來自于鉆孔施工過程中的機械破壞[12-15]。

隨著鉆孔內含水量的增加，鉆孔周圍煤體有3個階段的特征：分別為“潤滑”、“黏結”和“懸浮”。在“潤滑”階段：含水率較低，煤體強度整體呈下降趨勢。在“黏結”階段：含水量增加，煤體表面張力對強度的影響大于摩擦力的影響，毛細管起主導作用，軟煤整體的剪切強度增加。實驗結果表明剪切強度與含水量的關系如圖1所示。當含水量達到10%時，剪切強度達到最大值。在“懸浮”階段：煤體濕度達到了飽和，煤體顆粒之間充滿水導致表面張力消失，剪切強度開始減小。造成鉆孔底部煤體長期浸泡在水中，達到煤體的含水飽和度。不管是硬煤還是軟煤煤體強度必然很低，這是造成下向積水鉆孔比上向孔易失穩的原因之一[16-20]。

圖1 剪切強度與含水量的關系Fig.1 Relationship between shear strength and water content

在煤層底板含有泥巖，下向穿層鉆孔在泥巖段在積水壓差作用下會發生水化作用，水分子進入到黏土礦物顆粒之間的宏觀孔隙和巖石微觀孔隙。水分子在黏土礦物中發生水化作用大致分為表面水化和滲透水化2個階段。從而形成一段致密的煤泥粉，造成堵孔，使得瓦斯抽采的難度增加。

2 下向抽采鉆孔積水的影響

(1)抽采純量(濃度)降低。下向抽采鉆孔孔底積水，大大降低了兩相流的氣流滲透率，流動阻力增加，降低了抽采鉆孔的抽采流量。

統計了平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803 工作面回風巷下向順層抽采鉆孔抽采純量。分析結果顯示，下向鉆孔積水后抽采純量降幅達到了17.07%～77.78%。

(2)抽采負壓降低。從煤層內瓦斯流動性和下向鉆孔的附加壓力損失角度分析，下向鉆孔積水將導致抽采負壓遞減加劇。分析平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803工作面回風巷下向順層抽采鉆孔的抽采負壓降低率與積水量的關系，可以發現，積水量越大，抽采負壓降低率越大。隨著水量不斷增多，鉆孔內耗增加，抽采負壓變小。分析結果顯示，下向鉆孔積水后抽采負壓降幅達到了20%～76.47%。

當下向鉆孔抽采負壓上升至積水自重時，抽采鉆孔因為被水淹而停止抽采，雖然抽采鉆孔周圍瓦斯有較高的壓力向孔內運移，但抽采鉆孔控制范圍的瓦斯量已被水封存，依靠瓦斯壓力和抽采負壓已不能抽采，這種情況通常稱為“水淹”，瓦斯的抽采率被大大地降低。

(3)積水引起放水量加劇。下向抽采鉆孔孔底積水，導致抽采鉆孔抽采純量和抽采負壓均發生不同程度的降低，根據統計分析平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803工作面回風巷下向順層抽采鉆孔的抽采純量降低率、抽采負壓降低率與積水量的關系，可以發現，隨著抽采純量和抽采負壓的降低率的增加，當放水量小于100 L時，抽采純量降低率、抽采負壓降低率均小于30%；當放水量大于100 L且小于400 L 時，抽采純量降低率、抽采負壓降低率均小于30%～60%；當放水量大于400 L時，抽采純量降低率、抽采負壓降低率均大于60%(表1，圖2)。

表1 積水診斷方法Tab.1 Diagnostic methods of hydroponding

圖2 抽采鉆孔積水前后抽采參數及放水量對比Fig.2 Comparison of extraction parameters and water discharge before and after drilling water extraction

3 積水診斷方法

根據下向抽采鉆孔的條件，綜合應用抽采純量(濃度)、抽采負壓、放水量等方法對下向抽采鉆孔進行積水判斷，并建立積水判斷標準，分別為輕微積水、中等積水和嚴重積水，從而提前預測下向抽采鉆孔積水狀態，為及時采取有效的排水措施奠定基礎。

4 積水量計算方法

(1)積水量計算方法。根據上節的積水診斷方法，判斷下向抽采鉆孔孔底積水后，根據清水情況，采取不同的措施。當輕微積水時，綜合考慮鉆孔軌跡偏斜和積水量影響較小，積水量按照100 L計算。當中等積水和嚴重積水時，根據鉆孔直徑、鉆孔孔長計算計算出鉆孔空間體積，采用YHJ-200J礦用本安型激光測距儀測量孔口至積水界面的距離，鉆孔積水量按照式(1)計算。

T=π×(L-l)×(d/2)2×ρ

(1)

式中，T為鉆孔積水量；L為鉆孔總長度；l為鉆孔無水段長度；d為鉆孔直徑；ρ為鉆孔積水密度。

(2)使用儀器。①YZC5便攜式瓦斯抽放管道綜合參數測定儀，主要用來測試下向抽采鉆孔積水前后抽采純量和抽采負壓的變化。②YHJ-200J 礦用本安型激光測距儀，主要用來測試鉆孔孔口至鉆孔積水液面的距離。

5 現場積水量計算

平慶煤礦117804工作面回風巷26號和178號下向順層預抽鉆孔的抽采純量(濃度)、抽采負壓、放水量在積水前后發生了明顯的變化。26號鉆孔抽采純量降低67.44%，抽采負壓降低63.64%，放水量為410 L，判斷為嚴重積水。178號鉆孔抽采純量降低37.14%，抽采負壓降低31.25%，放水量為280 L，判斷為中等積水(表2)。

表2 抽采鉆孔積水前后對比Tab.2 Comparison of borehole water extraction before and after

在判斷117804工作面回風巷26號和178號分別屬于嚴重積水和中等積水后，停止抽采鉆孔抽采，采用YHJ-200J礦用本安型激光測距儀測量孔口至積水界面的距離。26號鉆孔長110 m，孔徑94 mm，無水段長23 m，鉆孔積水量為603 454.6 g；178號鉆孔長105 m，孔徑94 mm，無水段長43 m，鉆孔積水量為430 048.1 g。

6 結論

本文分析了下向抽采鉆孔積水原因，綜合應用抽采純量(濃度)、抽采負壓、放水量等方法對下向抽采鉆孔進行積水判斷，并建立積水判斷標準，分別為輕微積水、中等積水和嚴重積水，并建立了積水量計算方法。