松軟低透氣性煤層瓦斯抽采技術研究

景建強，李佳佳

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

0 引 言

我國煤礦煤層賦存條件較為復雜，高瓦斯松軟低透氣性煤層分布廣泛，隨著煤層開采深度增加，瓦斯治理難度顯著上升，瓦斯災害已成為困擾高瓦斯礦井安全高效生產的主要問題。對于松軟低透氣性煤層的瓦斯治理，目前主要采用保護層開采、地面鉆井壓裂、井下深孔爆破致裂、水力化增透措施等方法改變煤層透氣性[1-3]，但受煤層賦存條件影響和增透技術使用條件的限制，目前這幾種增透方法存在投入成本高、工序復雜、現場實施受限性大、工程應用經濟性不高的問題[4-5]。鑒于多數高瓦斯礦井未系統開展過抽采工藝研究，因此從鉆孔瓦斯抽采源頭入手，尋求合理的鉆孔抽采工藝和技術是解決松軟低透氣煤層瓦斯治理問題的關鍵。

本煤層預抽瓦斯是煤層采掘前根據現場抽—掘—采銜接安排，合理選擇鉆孔布置方式、抽采時間等，提前進行打鉆和抽采，并達到預期抽采效果。目前垂直煤壁布置的密集鉆孔在現場應用較多，受煤層透氣性影響，瓦斯抽采難以達到預期效果[6]。根據彈塑性力學理論研究，在原始應力平衡巖層中，鉆孔四周重新分布的應力超越巖體強度時會產生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴展，產生的塑性區內存在裂隙，可提高鉆孔圍巖體透氣性，有利于瓦斯抽采。本文主要研究如何提高順層鉆孔附近塑性區的連通性，優化鉆孔布置方式，提高開采煤層透氣性，有效減少瓦斯抽采達標時間。

1 工程概況

趙莊礦開采3號煤層，煤層平均厚度4.55 m，瓦斯含量為6.99～12.73 m3/t。3號煤層的百米鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.1525～0.4234 d-1，透氣性系數為0.21～0.46 m2/MPa2·d，處于0.1～10 m2/MPa2·d，屬可抽放類型，但透氣性系數更接近0.1 m2/MPa2·d下限值，透氣性較低。

礦井主要采用順層鉆孔進行本煤層瓦斯預抽，因煤層松軟且透氣性低，鉆孔流量衰減快、有效抽采時間短，抽采達標困難，嚴重影響礦井采掘銜接。為了尋求更好的瓦斯防治方法，分別開展了順層加密鉆孔抽采、底抽巷穿層鉆孔卸壓增透抽采和地面壓裂增透促抽等試驗，試驗證明以上措施具有一定的效果，但投入成本高，難以在全礦推廣應用。為此，必須從工作面瓦斯預抽源頭入手，通過改進鉆孔預抽方式提高鉆孔預抽效果、修復預抽失效鉆孔延長鉆孔有效抽采時間，進而縮短抽采達標時間、提高煤層預抽率、減少本煤層瓦斯涌出。

2 本煤層預抽鉆孔布置方式優化

2.1 鉆孔周圍應力分布特征

預抽鉆孔施工過程中，鉆孔四周原有的應力平衡被打破，鉆孔成孔后，孔周應力重新分布，如圖1所示，由孔壁向外應力分布依次呈現應力降低、峰后應力升高、峰前應力升高和原始應力恢復，最終形成新的應力平衡。新的應力平衡狀態形成后，依據孔壁應力分布情況和煤體變形情況，鉆孔周圍煤體劃分為松動區、塑性區I、塑性區II和彈性區。其中松動區、塑性區I位于應力降低的卸壓范圍，塑性區II位于峰前應力升高區域，峰后應力升高和原始應力恢復區域為彈性區[7]。

圖1 鉆孔周圍應力分布及塑性區Fig.1 Stress distribution and plastic zone around borehole

松動區和塑性區煤體破裂疏松、裂隙溝通、煤層透氣性增加，能夠實現瓦斯的有效抽采，形成一定長度的鉆孔抽采影響范圍；峰后應力升高區域煤體應力增大、裂隙受擠壓閉合，阻礙了鉆孔抽采影響范圍進一步向外擴展。

因此對鉆孔瓦斯抽采來說，鉆孔施工后形成的松動區和塑性區越大，鉆孔抽采影響范圍就越大，越有利于提高鉆孔瓦斯抽采效率。鉆孔成孔后周邊存在應力集中和破碎區，選擇合適的布孔間距和布置方式，使兩鉆孔應力疊加影響，增大塑性區范圍，有效覆蓋兩鉆孔之間的煤體區域。

2.2 抽采半徑考察

鉆孔間距是瓦斯抽采的關鍵性參數。鉆孔間距選擇的合理與否直接影響瓦斯治理成本的高低和瓦斯抽采效果的好壞，而鉆孔間距又是根據鉆孔抽采半徑確定的，一般認為抽采半徑與抽采時間、煤層原始瓦斯壓力、煤層透氣性系數等相關，每個礦井的瓦斯壓力、透氣性系數和抽采時間都不盡相同，需要根據礦井實際情況考察[8]。

采用瓦斯濃度指標法在1308工作面進行了抽采半徑測定。如圖2所示，共布置5個鉆孔，其中1號孔為預抽鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，孔深120 m，2～5號孔為觀測孔，鉆孔直徑為75 mm，與預抽孔的間距為1～2.5 m，觀測孔孔深都為50 m。

圖2 瓦斯抽采半徑測定鉆孔布置示意Fig.2 Borehole layout of gas extraction radius measurement

鉆孔竣工后，對抽采孔進行正常封孔接抽并監測瓦斯抽采參數，每天1次；觀測孔封孔后用孔塞密封，封孔管上留有檢測孔，每天檢測孔內瓦斯濃度。測得各鉆孔濃度變化趨勢如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采半徑測定鉆孔濃度變化趨勢Fig.3 The variation trend of borehole concentration measured by gas extraction radius

由圖3（a）可以看出，開始階段觀測孔與1號預抽孔的瓦斯濃度變化趨勢曲線均不相似，抽采50 d后，4號觀測孔的瓦斯濃度變化趨勢曲線與1號預抽孔濃度曲線基本一致，此時抽采半徑為1 m。

由圖3（b）可以看出，75 d后2號觀測孔瓦斯濃度與1號預抽孔濃度曲線基本一致，此時抽采半徑為1.5 m。

2、4號觀測孔明顯受到1號預抽空抽采的影響，隨著時間的推移3、5號觀測孔瓦斯濃度繼續下降，處于自然釋放狀態，90 d后濃度仍在35%以上，與1號預抽孔的濃度曲線差別很大。因此鉆孔預抽90 d后，抽采半徑為1.5 m。

2.3 預抽瓦斯鉆孔布置方式

根據抽掘采接替安排，鉆孔預抽時間均不小于6個月，結合抽采半徑考察結果，即3個月（90 d）抽采半徑為1.5 m，設計預抽鉆孔間距為3 m。

在13081巷選取了瓦斯賦存條件基本一致的3個互不影響的獨立區域分別開展普通平行鉆孔2 m、平行加密鉆孔1 m和立體交叉鉆孔布孔試驗[9-10]。試驗鉆孔布置如圖4所示。采用“兩堵一注”封孔工藝，通過向封孔器兩端的囊袋注速凝膨脹水泥，實現帶壓注漿，封孔段長度為8 m，封孔時帶壓注漿壓力可達1 MPa以上。

圖4 1 308工作面試驗鉆孔布置示意Fig.4 1308 working face test drilling layout diagram

（1）普通平行鉆孔。

平行單排布置10個間距為2 m的鉆孔，鉆孔開孔處距離煤層底板1.4 m，鉆孔傾角為3°，設計孔深120 m，鉆孔直徑94 mm。

（2）平行加密鉆孔。

平行單排布置10個間距為1.5 m的鉆孔，鉆孔開孔處距底板1.4 m，鉆孔傾角為3°，設計孔深120 m，孔徑94 mm。

（3）立體交叉鉆孔。

立體交叉鉆孔布置間距為3 m，施工10個鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.4 m，與煤壁夾角85°，鉆孔仰角1°；上排鉆孔開孔高度2.2 m，與煤壁夾角75°，鉆孔仰角3°；設計孔深120 m，孔徑94 mm。

2.4 瓦斯預抽效果考察

對1308工作面3種鉆孔布置方式的抽采效果進行考察，每種布孔方式抽采鉆孔濃度和百米鉆孔流量如圖5所示，可知13081試驗巷道普通平行抽采鉆孔的平均百米抽采量為0.014 m3/min·hm，衰減系數為0.027 d-1；平行加密鉆孔的平均百米抽采量為0.0213 m3/min·hm，衰減系數為0.02 d-1；立體交叉鉆孔的平均百米抽采量為0.0298 m3/min·hm，衰減系數為0.013 d-1，具體見表1。

表1 不同鉆孔布置方式抽采效果統計Table 1 Statistics of extraction effect of different borehole arrangement

圖5 預抽鉆孔濃度、百米流量曲線Fig.5 Concentration and flowcurve of pre-drainage borehole

對抽采鉆孔而言，百米鉆孔抽采量越大，抽采效率越高；衰減系數越小，瓦斯來源持續穩定，鉆孔有效抽采時間越長，瓦斯抽采效果越佳。根據表1可知，3種布孔方式中，立體交叉鉆孔的百米鉆孔流量最大，分別是普通平行鉆孔和平行加密鉆孔的2.13倍和1.4倍；同時立體交叉鉆孔衰減系數最小，說明其瓦斯來源豐富穩定，鉆孔有效抽采時間長。鉆孔立體交叉布置可以使上下排鉆孔應力疊加影響，塑性區溝通，增大塑性區范圍，從而提高煤層透氣性、增加瓦斯抽放量；此外與平行孔相比，立體交叉鉆孔布置豎直方向上煤體抽采范圍增大，瓦斯來源更豐富，支撐鉆孔更長時間保持高流量抽采。

綜上所述，立體交叉布置方式可以使鉆孔獲得高抽采流量和低衰減系數，高抽采流量保證了良好的抽采效率，低衰減系數又支撐鉆孔長時間高效率抽采，因此立體交叉鉆孔布置方式最優。

3 本煤層預抽鉆孔二次修復

松軟低透氣性煤層鉆孔成孔后，由于煤體自身承載能力弱，抽采一段時間后，鉆孔內部平衡打破，造成孔壁失穩坍塌進而堵塞抽采通道，導致抽采鉆孔失效，瓦斯抽采量急劇下降、衰減快、抽采效率低、抽采達標時間長[11-14]。

為此提出采用水力洗孔和下放篩管的方式對失效鉆孔進行二次修復，延長鉆孔有效抽采時間，提高抽采效果。

選取預抽1個月后抽采純量降至0.01 m3/min以下的鉆孔開展鉆孔二次修復試驗。在不破壞原鉆孔封孔情況下打開失效鉆孔，采用水力洗孔設備對失效鉆孔進行清洗，洗孔管深入鉆孔內部逐段清洗堵塞鉆孔煤泥，清洗完畢后，立即通過封孔管向孔內下放篩管[15]，鉆孔修復效果見表2。

表2 鉆孔二次修復效果Table 2 Secondary repair effect of drilling holes

可以看出，采用該種方法對鉆孔進行二次修復后，鉆孔平均抽采量由原來的0.006 m3/min提升至修復后的0.025 m3/min，鉆孔平均抽采量提高了4.2倍，試驗效果明顯，表明鉆孔二次修復是解決松軟低透氣煤層鉆孔易失效、抽采率低的有效措施。

4 結 論

（1）抽采半徑考察得出，直徑94 mm的抽采鉆孔，其90 d抽采半徑為1.5 m，設計預抽鉆孔間距為3 m。

（2）對普通平行鉆孔、平行加密鉆孔以及立體交叉鉆孔3種不同布孔方式考察，得出立體交叉鉆孔布孔方式最優。立體交叉鉆孔抽采時，衰減系數小；抽采能力是普通平行鉆孔和平行密集鉆孔的2.13倍和1.4倍。

（3）鉆孔立體交叉布置可使上下排鉆孔應力疊加影響，溝通和增大塑性區范圍，提高煤層透氣性；鉆孔抽采煤體范圍增大，瓦斯來源更豐富，支撐鉆孔更長時間保持高流量抽采。

（4）采用水力洗孔和下放篩管的方式對失效鉆孔進行二次修復試驗，修復后鉆孔平均抽采量提高了4.2倍，有效延長了鉆孔有效抽采時間，提高了抽采效果。