高河能源低滲煤層分段水力造穴增透技術

李浩波，郝晉偉，姜黎明

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室，山西 長治 046100；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

高河能源3#煤層具有典型高瓦斯含量、高吸附能力、低瓦斯壓力和低煤層透氣性的瓦斯賦存特征，屬難抽采高瓦斯煤層。同時，煤層受多期地質構造影響，層內小構造較為發育，部分區域具有典型的軟煤結構特征。目前，本煤層鉆孔瓦斯抽采是高河能源井下瓦斯防治和瓦斯資源開發的主要方法，但受煤層及瓦斯賦存條件影響，瓦斯抽采穩定性差，影響了瓦斯抽采效率，延長了煤層瓦斯抽采達標時間，造成采掘接替緊張。煤層增透是強化煤層瓦斯抽采的主要工程方法。目前，煤層增透技術主要有松動爆破、水力化措施、氣相壓裂及物理化學等方式[1-3]. 松動爆破一般適用于突出危險性較弱的工作面，當裝藥深度較淺時，形成拋渣爆破，容易誘導突出[4]. 氣相壓裂技術由于增透尺度小，對軟煤適用性差、成本高，目前還未規模性推廣。物理增透技術由于技術操作復雜、增透尺度受限及技術成熟度低等未能進一步使用推廣。水力化增透技術[5,6]具有施工工藝簡單、成本較低等優點，特別是近些年逐漸發展起來的水力造穴增透技術具有良好的增透效果和松軟煤層條件適應性，目前被廣泛應用于高瓦斯松軟煤層強化抽采中[7,8]. 因此，高河能源通過引進本煤層分段水力造穴增透技術，以增加煤層鉆孔圍巖透氣性及采動影響半徑，增大煤層瓦斯單位時間抽采流量，提高瓦斯抽采效率，緩減采掘接替緊張。

1 本煤層分段水力造穴增透技術原理

本煤層分段水力造穴技術是在本煤層預抽鉆孔形成的基礎上，以高壓水射流為動力，對鉆孔進行分段擴孔，沿鉆孔方向形成分段徑向大直徑洞穴，釋放鉆孔圍巖應力、增加鉆孔圍巖采動影響半徑、增大鉆孔圍巖暴露面積，提高煤層透氣性系數及鉆孔瓦斯涌出量，實現鉆孔高效高流量抽采煤層瓦斯的目的。同時，為確保水力造穴增透效果，本煤層分段水力造穴通常采用間隔造穴的施工方式進行，不僅可以最大限度增加鉆孔圍巖采動影響半徑，提高鉆孔圍巖煤層透氣性系數，而且避免了較軟煤層全孔段擴孔帶來的圍巖大面積坍塌垮落，保障了施工鉆孔的瓦斯高效大流量抽采。本煤層鉆孔分段水力造穴增透技術施工示意圖見圖1.

圖1 水力造穴增透技術施工示意圖

2 試驗工作面概況及實施方案

2.1 試驗工作面概況

高河能源3#煤層W3305工作面位于井田北翼西三盤區，煤層賦存條件為東高西低，平均傾角2°～3°，為近水平煤層。煤層平均瓦斯含量10.90 m3/t，平均瓦斯壓力為0.64～0.68 MPa，煤層透氣性系數為0.102 m2/(MPa2·d)，煤的平均單軸抗壓強度值為5.938 MPa，煤的平均堅固性系數為0.535，煤層內地質小型構造發育，屬高瓦斯軟弱結構煤層。本次煤層分段水力造穴增透技術應用試驗施工地點為W3305膠帶順槽，鉆孔施工工作面布置圖見圖2.

圖2 本煤層鉆孔分段水力造穴施工地點圖

2.2 本煤層水力造穴技術實施方案

根據高河能源3#煤層W3305工作面賦存條件及前期對本煤層分段水力造穴增透技術工藝的考察，確定本次水力造穴試驗施工地點為W3305膠帶順槽34-3#—54-3#鉆孔，共計28個。根據水力造穴原理，施工過程主要分為普通基礎預抽鉆孔施工、水力造穴施工和封孔及并網抽采瓦斯等3部分。

1) 普通預抽鉆孔施工。

普通預抽鉆孔是本煤層分段水力造穴增透技術實施的基礎，同時也是作為水力造穴增透技術效果的對比分析鉆孔。本次普通預抽鉆孔的施工在分段水力造穴鉆孔完成以后進行，其中兩個水力造穴鉆孔之間平均補充施工2個普通預抽鉆孔作為效果對比孔，鉆孔平均間距為1.7 m，主要采用ZDY4000LX煤礦用履帶式液壓鉆機完成，具體施工參數為：孔徑94 mm，孔長102 mm，傾角-2°～3°，間距5 m.

2) 分段水力造穴施工。

本煤層分段水力造穴施工工藝主要包括造穴方式及造穴參數。造穴方式主要分為前進式和后退式2種。其中，前進式又稱隨鉆造穴，即在成孔過程中實施水力造穴；而后退式是在鉆孔完全形成后退鉆過程中進行水力造穴施工。前進式有利于預防施工過程因塌孔所導致的壓埋鉆桿等事故的發生，而后退式有利于排水排渣。因此，為探索高河能源3#煤層的最優水力造穴方式，本次施工過程分別對兩種造穴方式進行考察分析，其它分段水力造穴相關參數為：造穴水壓24 MPa，穴間距5 m，單穴長度1 m，造穴半徑0.6 m，造穴數14個。

3) 封孔及并網瓦斯抽采。

本次設計水力造穴起始造穴深度為20 m. 為確保鉆孔密封質量，在水力造穴試驗區域所施工的普通預抽鉆孔和造穴鉆孔密封時均采用膨脹水泥+囊袋“兩堵一注”式封孔工藝，封孔參數為：始封深度0.5 m，封孔長度15 m，水灰比1∶1.3，注漿壓力1 MPa.

對水力造穴增透鉆孔和普通預抽對比鉆孔實施封孔后，完成瓦斯抽采管網并聯進行瓦斯抽采。同時，抽采過程利用CJZ4Z瓦斯參數綜合測定儀對鉆孔瓦斯抽采相關參數進行跟蹤測定。

3 試驗效果考察及工藝參數影響分析

3.1 試驗效果數據考察

根據本煤層分段水力造穴施工方案及相關施工參數設計，分別對高河能源3#煤層W3305膠帶順槽預抽鉆孔進行增透效果考察。其中，預抽鉆孔分段水力造穴增透試驗及相鄰普通預抽鉆孔抽采瓦斯數據統計結果見表1.

表1 水力造穴鉆孔與普通鉆孔瓦斯抽采參數對比表

由表1可看出，對本煤層鉆孔數實施分段水力造穴增透技術后，與普通瓦斯預抽鉆孔相比，30 d內單孔平均抽采瓦斯純量可提高3.38倍，增透效果明顯。但水力造穴施工鉆孔30 d內單孔平均抽采瓦斯濃度普遍低于普通預抽鉆孔，僅為預抽鉆孔的71.52%，出現“高量低濃”的現象，這主要是由于低傾角條件下水力造穴施工鉆孔孔壁受外侵水長時間浸潤和破壞嚴重，鉆孔完整性較差，密封困難造成的。

3.2 水力造穴工藝參數影響分析

造穴施工方式與造穴鉆孔傾角是影響本煤層鉆孔分段水力造穴增透效果的2個主要影響因素，主要體現在對孔內積水排渣的影響。

1) 造穴方式。

為考察高河能源3#煤層的最優水力造穴方式，根據W3305膠帶順槽水力造穴增透鉆孔瓦斯抽采數據可得不同造穴方式下鉆孔抽采瓦斯效果，見表2.

表2 不同造穴方式下鉆孔平均抽采瓦斯參數表

由表2可知，即使在平均鉆孔角度低于前進式造穴鉆孔的條件下，后退式水力造穴鉆孔出煤量仍為前進式的1.39倍，30 d內平均抽采瓦斯濃度和純量分別是前進式的2.14和3.48倍。與表1相比較，后退式造穴方式下的鉆孔抽采瓦斯濃度仍低于普通預抽鉆孔，但抽采純量為普通預抽鉆孔的4.1倍，而前進式造穴方式下的鉆孔抽采純量僅為普通預抽孔的1.19倍。因此，后退式造穴方式更有利于鉆孔瓦斯抽采。

2) 鉆孔傾角。

鉆孔傾角對水力造穴施工效果的影響主要表現在孔內積水積煤，在影響鉆孔圍巖瓦斯涌出的同時，鉆孔圍巖長時間的浸水導致封孔漿液難以深入裂隙，降低了鉆孔密封效果。根據W3305膠帶順槽水力造穴試驗數據可得不同傾角條件下鉆孔抽采瓦斯情況，見圖3.

圖3 水力造穴鉆孔瓦斯抽采參數分布圖

由圖3可得，本煤層水力造穴施工鉆孔單孔平均抽采瓦斯濃度及純量隨鉆孔角度整體呈正相關，即鉆孔傾角從0°增加至3°時，平均單孔瓦斯抽采濃度和抽采純量可分別增加1.12倍和1.82倍。因此，綜合上述分析可得出大傾角鉆孔更有利于水力施工后的瓦斯抽采。

4 結 論

通過對山西高河能源3#煤層W3305膠帶順槽本煤層鉆孔實施分段水力造穴增透技術可得出如下結論：

1) 本煤層鉆孔分段水力增透技術對低滲煤層具有明顯的增透效果，30 d內平均單孔抽采流量為普通預抽鉆孔的3.38倍，但平均單孔抽采瓦斯濃度普遍低于普通預抽鉆孔，出現“高量低濃”的鉆孔瓦斯抽采特征。

2) 后退式水力造穴鉆孔優于前進式水力造穴鉆孔，30 d內平均單孔抽采瓦斯濃度和抽采純量分別為前進式水力造穴鉆孔的1.12倍和1.82倍，且在高角度鉆孔內實施分段水力造穴增透技術效果優于低角度鉆孔。