低滲透煤層注水驅替促抽治理瓦斯技術

崔德偉

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

1 工作面工程地質概況

夏店煤礦3116工作面是31采區的第十三個工作面，由于陷落柱X2的影響，3116工作面劃分為3個回采面。3116工作面（里）可采長度483m，傾斜長210m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外1）可采長度140m，傾斜長130m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外2）可采長度247m，傾斜長210m，平均煤厚5.7 m。工作面巷道布置示意圖見下圖1所示。3116工作面所采3#煤層老頂為細砂巖，厚度5～15m。直接頂為泥巖，厚度1～3m。偽頂為灰質泥巖，厚度0.3～0.5m，為黑色夾淺煤。直接底為泥巖，厚度0.8～1.4m。老底為細砂巖，厚度6.8～9.01m。回采期間瓦斯絕對涌出量預測最大值為14.6m3/min，為高瓦斯礦井，瓦斯抽放率30%，煤塵具有爆炸危險性。現場高壓注水驅替促抽治理瓦斯試驗在夏店礦+770m水平31采區3116工作面回風順槽開展，即3116工作（外2）回巷區域。主要注水試驗點為48～54#抽采鉆孔聯孔區域、81～90#抽采鉆孔聯孔區域及105～112#抽采鉆孔聯孔區域。

2 工作面瓦斯治理綜合技術

3116工作面掘成時間2016年9月15日，工作面煤層原始瓦斯含量為2.5～7.8m3/t，屬于二級瓦斯管理區域。3116工作面原始瓦斯含量起伏較大，里段瓦斯含量相對較低，因此只在工作面外段400m范圍進行本煤層鉆孔預抽。3116工作面（里）和3116工作面（外1）只在回采期間進行裂隙帶鉆孔和上隅角埋管抽采；3116工作面（外2）回采前進行本煤層預抽，回采期間進行回巷裂隙帶鉆孔和上隅角埋管抽采。

（1）采前本煤層預抽。3116工作面外部400m范圍進行本煤層預抽，分別在運、回巷施工鉆孔200個、130個，設計鉆孔深120m、孔間距2m、與巷道夾角90°，鉆孔總進尺39600m。回巷預抽鉆孔于2016年7月施工完成，運巷預抽鉆孔于2016年9月施工完成。

（2）回采期間裂隙帶抽采。工作面在回采期間進行裂隙帶抽采，在3116回巷距切眼60m處開始施工至3116回巷回風繞道外50m，共施工450個巖孔，總進尺49500m。

圖1 3116工作面巷道布置示意圖

3 高壓注水驅替促抽瓦斯工業試驗

3.1 技術原理

針對夏店礦3116工作面低滲透3#煤層存在瓦斯預抽范圍小、瓦斯衰減快和抽采效果差等問題，提出注—抽鉆孔間隔布置高壓注水驅替促抽治理瓦斯技術。通過注水孔和抽采孔間隔布置，利用高壓水對煤層瓦斯的驅替作用和水對瓦斯的置換解吸作用，提高相鄰抽采孔的瓦斯濃度和瓦斯流量，提高3#煤層瓦斯抽采效果，同時均勻潤濕煤層，增大煤體水分，降低回采時粉塵產生量，有效防治礦井瓦斯、煤塵災害。煤層注水驅替促抽治理瓦斯技術原理示意圖如圖2所示。

圖2 煤層注水驅替促抽治理瓦斯技術原理示意圖

3.2 試驗方案

（1）在煤層1中施工順層抽采鉆孔2、3、4，鉆孔交替布置，之后采用封孔材料和抽采管5、6、7封孔，抽采管外徑75mm，長度16m，形成鉆孔封孔段8、9、10，封孔段長度大于8m，并連接負壓抽采管路開始抽采瓦斯。

（2）抽采一定時間后，抽采鉆孔的瓦斯流量和抽采濃度顯著降低時，即單純靠延長抽采時間不能達到好的抽采效果，將抽采孔3作為注水孔，基于孔內封孔思路，將膨脹封孔器11插入抽采管6內，封孔器長度1～1.5m，外徑55mm，最大工作壓力10MPa。

（3）將膨脹封孔器11利用高壓膠管12依次與高壓閥門13、注水流量計14和高壓注水泵15連接，高壓注水泵與井下供水管16連接。抽采孔2、4繼續與負壓抽采管路19、20連接抽采。

（4）利用高壓注水泵15向鉆孔3實施煤層注水，注水壓力6～8MPa，通過注水流量計14觀測注水流量和注水壓力；注水時通過孔板流量計17、18及抽采管預留觀測孔檢測鉆孔2、4的抽采流量、抽采濃度和負壓參數。

（5）注水采用連續注水或間隔注水方式，注水一定時間后，一般為48～96h，注水時間可根據煤層實際條件、鉆孔間距及注水壓力等綜合確定。應保證注入水不能進入抽采鉆孔2、4內。將閥門13關閉，注水泵停止注水，封孔器繼續膨脹封孔，孔內壓力水慢慢滲入煤層。煤層注水驅替促抽治理瓦斯鉆孔布置示意圖如圖3所示，夏店礦實際施工鉆孔參數見表1。

圖3 鉆孔布置示意圖

3.3 現場試驗

（1）封孔方法

為達到良好的高壓注水封孔效果，基于“管內封孔”思想，在瓦斯抽采管內利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，可以克服封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴問題。注水專用封孔器由鋼絲膨脹膠管、泄壓閥、快速接頭組成，封孔器可反復使用數次，注水結束后卸掉壓力，封孔器即可恢復原狀，取出封孔器。結合瓦斯抽采管參數，設計的封孔器主要參數如表2所示，主要包括外徑Ф50mm和Ф55mm兩種型號。

表1 鉆孔參數表

表2 封孔器技術參數表

（2）高壓注水泵

結合夏店礦煤層實際，3116回巷現場煤層注水驅替促抽瓦斯試驗選擇動壓注水方式。注水試驗選擇精誠3ZSB-105/11型高壓注水泵，注水泵動力端同時采用飛濺和強制兩種潤滑方式，柱塞采用強制冷卻方式，配置安全溢流閥和調壓閥。泵組配置包括泵、溢流閥、壓力調節閥、聯軸器、聯軸器護罩、礦用防爆電動機、底座等。注水泵為高壓柱塞泵，泵軸位置為臥式，驅動方式為電動，柱塞Φ22mm，柱塞數3個，i=3.650，額定轉速為400r/min，最大工作壓力22MPa。

（3）試驗過程

2016年9月～10月主要為試驗區域瓦斯抽采參數測定工作，確定最佳注水時機。10月22日之后主要在3116回風巷48～54#抽采孔聯孔區域（安裝四寸孔板流量計）、81～90#抽采孔聯孔區域（四寸孔板流量計）及105～112#抽采孔聯孔區域（安裝匯流管電子流量計），至12月14日完成現場注水試驗。

4 注水驅替促抽瓦斯試驗結果及分析

48～54#抽采孔聯孔區域完成注水試驗3組，注水孔分別為49#、51#和53#孔。

49#孔：累計注水時間40min，注水壓力8MPa，預計注水量1.5m3。48#孔單孔濃度10%，注水時提高1.5倍，濃度達25%；50#孔單孔濃度11%，注水時提高1倍，濃度22%。注水時聯孔區域瓦斯混合流量提高了近3倍，混合量達0.86m3/min。原單鉆孔平均混合量為0.07m3/min，現為0.17m3/min，提高1.4倍。高壓注水促抽相鄰鉆孔瓦斯效果顯著。

51#孔：累計注水時間7min，注水壓力8MPa，與52#鉆孔之間壓穿，壓力水從52#鉆孔流出。50#、52#注水前濃度為11%和12%，注水后濃度提高1倍，濃度分別為18%、25%。

53#孔：累計靜壓注水85min，注水壓力4MPa，動壓注水40min，注水壓力6.5MPa。注水后54#孔瓦斯濃度由3%提高到20%，提高近6倍。52#孔濃度由12%提高到25%，提高1.1倍。

該區域實施注—抽鉆孔間隔布置高壓注水促抽瓦斯效果十分明顯，尤其是49#注水孔，對相鄰48#、50#抽采孔促抽瓦斯明顯（見表3），相鄰48#、50#抽采孔瓦斯濃度和瓦斯流量均大幅增加，聯孔區域瓦斯純流量增加近5倍，注水促抽瓦斯效果持續周期達10d。

表3 注水前和注水時鉆孔抽采參數監測數據（以11月6日為例）

5 結論

（1）基于“管內封孔”思想，在瓦斯抽采管內利用專用鋼絲膨脹膠管封孔器封孔，克服了封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不嚴問題，達到良好的高壓注水封孔效果，且封孔器可反復使用數次，注水結束后卸掉壓力，封孔器即可恢復原狀，取出封孔器。

（2）現場注水促抽瓦斯試驗表明：注水時相鄰抽采鉆孔煤層瓦斯流量和瓦斯濃度均顯著增加，此時以水對瓦斯的驅替作用為主；注水后一定時間相鄰鉆孔瓦斯流量和瓦斯濃度持續增加，增加幅度小于注水時，以水對瓦斯的置換解吸作用為主；注水驅替促抽瓦斯持續周期為10d左右。