沖壓一體化卸壓增透技術(shù)在煤層區(qū)域瓦斯治理中的應(yīng)用

楊正宇，閆本正，2

（1．河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南 鄭州450046；2．河南省低滲突出煤層煤與瓦斯共采工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450046）

我國煤礦瓦斯災(zāi)害非常嚴(yán)重，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井所占比例高，而且全國95%以上的高瓦斯和突出礦井開采的煤層屬于低透氣性煤層，滲透率多在10-18～10-19m2數(shù)量級(jí)[1-5]。鶴壁礦區(qū)是河南省內(nèi)重要的煤炭生產(chǎn)礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)多為高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井，煤層瓦斯含量6.70～23.18 m3/t，瓦斯壓力0.72～2.13 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.12～1.8 m2/（MPa2·d），屬于低透、松軟難抽放煤層，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.3～0.6，破壞類型為Ⅱ～Ⅳ類，瓦斯抽采（特別是預(yù)抽）影響范圍小、衰減速度快、抽采難度大。目前，水力壓裂和水力沖孔技術(shù)在國內(nèi)煤礦進(jìn)行煤層區(qū)域瓦斯治理過程中的發(fā)展應(yīng)用已日趨成熟，各礦區(qū)根據(jù)區(qū)域煤層實(shí)際條件對(duì)這2 種技術(shù)分別進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了較好效果[6-11]。但是，對(duì)于這2 種技術(shù)的規(guī)模性結(jié)合應(yīng)用在國內(nèi)尚少見于報(bào)道[12-14]，沖壓一體化卸壓增透技術(shù)正是在這2種水力化措施的基礎(chǔ)上集成發(fā)展而來，技術(shù)的發(fā)展完善將對(duì)豐富和完善區(qū)域瓦斯治理技術(shù)體系、提高煤礦瓦斯抽采效率、降低煤礦瓦斯災(zāi)害安全事故率、節(jié)約礦井安全支出成本具有重要意義。

1 技術(shù)原理

沖壓一體化卸壓增透技術(shù)是通過水力沖孔技術(shù)與水力壓裂技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)煤層卸壓和煤層增透雙重作用的基礎(chǔ)上，促進(jìn)煤層瓦斯的解吸和排放，提高瓦斯抽采效率，縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)周期，主要用來解決0.5＜f＜1.5 的單一低滲突出煤層的瓦斯高效抽采難題。

在煤層的底板抽放巷向試驗(yàn)區(qū)域煤層的兩側(cè)邊緣各施工1 列導(dǎo)向孔，中間部位施工1 列目標(biāo)孔，沖壓一體化卸壓增透鉆孔布置示意圖如圖1。鉆孔的具體數(shù)量根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域煤層實(shí)際條件計(jì)算所得。通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)域兩側(cè)邊緣的導(dǎo)向孔實(shí)施水力沖孔，在試驗(yàn)區(qū)域邊緣排出一定量的煤和瓦斯，形成多個(gè)較大的孔洞，為試驗(yàn)區(qū)域中部的煤體向邊緣運(yùn)移提供通道；再對(duì)試驗(yàn)區(qū)域中部的目標(biāo)孔實(shí)施水力壓裂，通過向試驗(yàn)區(qū)域中部的目標(biāo)孔注入高壓水迫使煤體向兩側(cè)邊緣移動(dòng)，并通過導(dǎo)向孔形成的孔洞排出煤、水和瓦斯三相混合物，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域煤層的卸壓增透作用。

圖1 沖壓一體化卸壓增透鉆孔布置示意圖

通過實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施，不但可以在一定程度上降低試驗(yàn)區(qū)域的地應(yīng)力，使煤層壓力得到釋放，增加煤層透氣性，促進(jìn)煤層瓦斯的解吸和排放，還可以潤濕煤體，增加煤體強(qiáng)度、消除煤與瓦斯突出動(dòng)力，起到防治煤與瓦斯突出的作用。

2 試驗(yàn)區(qū)域概況

鶴煤三礦為煤與瓦斯突出礦井，位于鶴壁煤田中部，南距鶴壁市山城區(qū)4.4 km，礦井北起F11、F3斷層，西部以二1煤層露頭為界，南到F16、F20斷層與五礦為界，深部至二1煤-800 m 底板等高線，南北走向5.5 km，東西傾斜寬約3.1 km，面積17.1 km2，主采煤層為二1煤層，平均煤厚7.89 m，平均傾角21°，自然發(fā)火等級(jí)為三類不易自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，2006 年核定生產(chǎn)能力為135 萬t/a。

4101 工作面位于四水平南翼，31 采區(qū)下部，南部緊鄰43 采區(qū)（未開拓新區(qū)），東部為深部未開拓區(qū)，北部與新副井工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱相鄰。井下標(biāo)高為-530～-613 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+202～+235 m，走向可采長度768.6 m，傾斜長度134.8 m，可采儲(chǔ)量為116 萬t。采區(qū)主要可采煤層為二1煤層，厚度為6.94～8.87 m，屬較穩(wěn)定型厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，在其下部含1 層平均厚度0.45 m 的夾矸，該層夾矸較穩(wěn)定，其巖性為黑色泥巖。煤層呈現(xiàn)為塊狀和粉末狀，色澤為玻璃光澤，煤的硬度較小，容易破碎，組成以亮煤和鏡煤為主，為半亮型煤。

3 試驗(yàn)方案及效果考察

在4101 底板巷選取120 m 巷道作為試驗(yàn)區(qū)域，通過底板穿層鉆孔對(duì)煤層實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施，實(shí)現(xiàn)煤巷條帶消突效果。將試驗(yàn)區(qū)域劃分為3個(gè)試驗(yàn)單元，分別為一單元（長度為30 m）、二單元（長度為40 m）和三單元（長度為50 m），對(duì)其中的一單元和二單元的穿層抽采鉆孔實(shí)施沖壓一體化卸壓增透作業(yè)，對(duì)三單元的穿層抽采鉆孔僅實(shí)施常規(guī)的水力沖孔措施，作為瓦斯抽采效果對(duì)比單元。在一單元試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)間隔30 m 施工2 排導(dǎo)向鉆孔，全部進(jìn)行水力沖孔，水力沖孔作業(yè)完成后，施工一單元中部的2 個(gè)目標(biāo)鉆孔，對(duì)目標(biāo)鉆孔進(jìn)行水力壓裂，在水力沖孔和水力壓裂作業(yè)全部完成后，再進(jìn)行一單元其余抽采鉆孔的施工。在二單元試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)間隔40 m 施工2 排導(dǎo)向鉆孔，全部進(jìn)行水力沖孔，水力沖孔作業(yè)完成后，施工二單元中部的2 個(gè)目標(biāo)鉆孔，進(jìn)行水力壓裂，在水力沖孔和水力壓裂作業(yè)全部完成后，再進(jìn)行二單元其余抽采鉆孔的施工。作業(yè)順序?yàn)椋合仁┕ぴ囼?yàn)單元兩側(cè)的導(dǎo)向鉆孔（藍(lán)色鉆孔）→進(jìn)行水力沖孔作業(yè)→再施工試驗(yàn)單元中部的水力壓裂鉆孔（紅色鉆孔）→進(jìn)行水力壓裂作業(yè)→最后施工單元內(nèi)其他穿層抽采鉆孔（黑色鉆孔），試驗(yàn)鉆孔布置示意圖如圖2。

圖2 試驗(yàn)鉆孔布置示意圖

分別在3 個(gè)試驗(yàn)單元安裝瓦斯抽采參數(shù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一、二、三單元穿層抽采鉆孔在分別實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施和常規(guī)水力沖孔措施后鉆孔瓦斯抽采參數(shù)的變化情況。在對(duì)一單元目標(biāo)孔實(shí)施水力壓裂作業(yè)的過程中，一單元兩側(cè)的導(dǎo)向孔未見大量的煤、水混合物，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)該單元抽采鉆孔與鄰近工作面的抽采鉆孔存在串孔現(xiàn)象，且由于水力壓裂過程中向煤層注入的高壓水未見大量排出，導(dǎo)致在抽采過程中，管路存在積水現(xiàn)象，造成瓦斯抽采濃度不穩(wěn)定，忽高忽低，數(shù)據(jù)不可靠。因此，后期僅將二單元和三單元的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于各單元的鉆孔總數(shù)不同，將各單元內(nèi)每列鉆孔的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，瓦斯抽采濃度、純量變化曲線圖如圖3、圖4。

圖3 瓦斯抽采濃度變化曲線圖

圖4 瓦斯日抽采純量變化曲線圖

由圖3 可知，采用沖壓一體化卸壓增透措施的二單元鉆孔平均抽采濃度較高，鉆孔瓦斯抽采濃度為40%~85%，鉆孔平均瓦斯抽采濃度為49.44%；而未采用沖壓一體化卸壓增透措施的的三單元鉆孔瓦斯抽采濃度為20%~67%，鉆孔平均瓦斯抽采濃度為25.33%。采用沖壓一體化卸壓增透措施的鉆孔平均瓦斯抽采濃度是僅采用常規(guī)水力沖孔措施的鉆孔平均瓦斯抽采濃度的1.95 倍，二單元鉆孔的瓦斯抽采效果較三單元對(duì)比鉆孔的瓦斯抽采效果有了顯著的提高。

由圖4 可知，二單元抽采鉆孔在實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施后，瓦斯抽采量變化范圍較大，沒有明顯規(guī)律性，忽大忽小，主要是管路連接存在問題，8 月11 日對(duì)管路進(jìn)行了改造和轉(zhuǎn)換了連接方式，抽采數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，連抽1 個(gè)月后，列鉆孔日瓦斯抽采純量基本穩(wěn)定在50～60 m3/d，平均瓦斯抽采純量為58.77 m3/d。三單元為僅實(shí)施常規(guī)水力沖孔措施的鉆孔，連抽1 個(gè)月后，列鉆孔日瓦斯抽采純量位25～28 m3/d，平均瓦斯抽采純量27.83 m3/d。采用沖壓一體化卸壓增透措施的二單元列鉆孔平均瓦斯抽采純量是僅采用常規(guī)水力沖孔措施的鉆孔瓦斯抽采純量的2.11 倍，二單元鉆孔的抽采純量較三單元對(duì)比鉆孔的瓦斯抽采純量有了顯著提高。

4 結(jié) 論

1）沖壓一體化卸壓增透技術(shù)的實(shí)施能夠有效的提高瓦斯抽采鉆孔的抽采濃度和抽采純量，實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施的鉆孔抽采濃度為未實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施鉆孔的1.95 倍，鉆孔日抽采純量為未實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施鉆孔的2.11倍。通過實(shí)施沖壓一體化卸壓增透措施，鉆孔瓦斯抽采濃度和日抽采純量均有了較大幅度的提高。

2）采用沖壓一體化卸壓增透措施有利于縮短煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，節(jié)約礦井生產(chǎn)成本，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。