水壓預裂工作面瓦斯抽采高位鉆孔參數優化及應用

祝 琨，劉文崗,，劉慶林，黨業龍，余 杰，劉 輝，董 浩，吳 越，王 寧

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013；3.陜西煤業股份有限公司，陜西 西安 710054)

隨著我國煤炭需求量的增加，煤炭的高產高效開采已經成為一種發展趨勢，但是由于開采強度的增加，造成工作面瓦斯涌出量增大，導致上隅角瓦斯超限，嚴重制約了煤礦的安全生產[1-2]。U型通風工作面的瓦斯治理主要采用風排瓦斯和高位鉆孔抽排的方法，但若高位鉆孔的工藝參數不合理，則會形成抽采盲區，導致瓦斯抽采效率較低，嚴重影響工作面的回采，高位鉆孔的合理布置決定著瓦斯的抽采效果[3-6]，因此，優化高位鉆孔抽采工藝參數成為現階段的研究重點。

目前，國內外學者對高位鉆孔瓦斯抽采工藝參數優化進行了大量研究。KARACAN[3]采用動態三維建模，探究了不同高度瓦斯抽采鉆孔模式的抽采效果，結果表明高位鉆孔在減少瓦斯排放量上效果突出；趙丹等[7]計算了煤層上覆巖層移動“三帶”高度，利用數值模擬軟件對高位鉆孔的仰角、方位角、鉆孔長度等因素進行數值分析，最終確定高位鉆孔的最佳布置參數；劉桂麗等[8]基于覆巖裂隙瓦斯流動規律，從覆巖“豎三帶”“O”形圈理論出發，對高位鉆孔的理論合理布置區域進行優化，并通過現場試驗，驗證了研究的正確性；高宏等[9]理論計算了影響高位鉆孔抽采的關鍵工藝參數，利用Comsol數值模擬軟件分析了抽采時間和抽采負壓對高位鉆孔抽采的影響，并根據計算結果優化高位鉆孔參數；韓兵[10]分析U型通風上隅角瓦斯集聚區域分布特征，提出采用高位定向鉆孔抽采技術將裂隙帶與工作面上隅角構成聯通系統，最終使得采空區瓦斯抽采方式得到優化。

上述研究主要從覆巖裂隙瓦斯運移規律及其富集區域分布等相關因素分析提高高位鉆孔瓦斯抽采效率的措施，而對于低滲透性高瓦斯煤層高位鉆孔抽采參數優化的研究相對較少。鑒于此，本文針對新疆東溝煤礦143綜采工作面的實際情況，利用理論計算和現場試驗相結合的方法對其高位鉆孔合理參數進行分析，獲得最佳布孔參數。

1 工程概況

2 143綜采工作面端頭懸頂水壓預裂技術試驗研究

2.1 水壓預裂鉆孔布置方案設計

根據143工作面頂板的巖層結構、巖性及開采技術條件等，143工作面采掘巷道布置及水壓預裂試驗區域布置圖如圖1所示。水壓預裂方案設計如下所述。

圖1 143工作面采掘巷道布置及水壓預裂試驗區域布置圖Fig.1 Layout of mining roadway and hydraulic presplitting test area in 143 working face

1) 基于工作面水壓預裂工程經驗，并匹配原有設備的壓裂能力，由文獻[11]可知壓裂鉆孔間距為10 m。

2) 通過分析該地區地質資料，該工作面上覆基巖巖層的直接頂破碎，易垮落。

3) 工作面老頂厚度為7.5 m左右，整體強度高，塊度大，屬重點壓裂區域。

2.2 水壓預裂鉆孔布置

2.2.1 143工作面上隅角懸頂水壓預裂方案

沿143工作面回風巷道向143工作面回風上隅角施工壓裂鉆孔H，鉆孔H開孔位置在143工作面回風順槽超前支架第一個超前小支架前，距離工作面煤壁25.5 m處。鉆孔H長度為32.87 m，傾角為21°，每個鉆孔壓裂3次，每次壓裂30 min，壓裂參數見表1，鉆孔布置如圖2(a)所示。

表1 143工作面上端頭壓裂鉆孔優化壓裂參數Table 1 Optimization of fracturing parameters for end fracturing drillings in 143 working face

2.2.2 143工作面下隅角懸頂水壓預裂方案

1) 在145工作面回風巷道向143工作面運輸巷道頂板上方施工跨煤柱壓裂鉆孔：鉆孔A(A1～A5)和鉆孔B(B1～B5)，計劃將鉆孔A、鉆孔B交替垂直巷道幫部布置，如圖2(b)和圖2(c)所示。

圖2 143工作面上下隅角水壓預裂鉆孔布置圖Fig.2 Layout of hydraulic presplitting drillings in upper and lower corners of 143 working face

2) 鉆孔A1、鉆孔B1、鉆孔A2、鉆孔B2、鉆孔A3位于架后，鉆孔B3、鉆孔A4、鉆孔B4、鉆孔A5、鉆孔B5位于超前段。

3) 鉆孔A和鉆孔B開口位置距離底板3.1 m處。鉆孔進尺總計：36.34 m×5=181.7 m(鉆孔A)+33.3 m×5=348.2 m(鉆孔B)。

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2.3 水壓預裂參數的控制

1) 壓裂壓力。根據水壓預裂理論計算以及水壓預裂技術在其他礦區的工程應用經驗，本次水壓預裂壓力為11.5～35.0 MPa。

2) 壓裂段數。根據壓裂擴展半徑、端頭壓裂目標及巖層厚度可確定壓裂段數，從鉆孔底部逐步向孔口壓裂，壓裂間隔4.5 m，壓裂段數2次。

3) 壓裂時間。工作面后方鉆孔及超前高位鉆孔單次壓裂時間為25～30 min，超前段低位鉆孔壓裂時間控制為10～15 min。

4) 壓裂鉆孔封孔。為防止采空區漏風、有毒有害氣體外泄，壓裂結束后，要及時對壓裂鉆孔進行封孔，采用“兩堵一注”帶壓封孔法，即先在鉆孔的兩端用袋裝聚氨酯進行封堵，待發泡封孔袋、膨脹并凝結后，再通過注漿管對兩端聚氨酯封堵段之間的鉆孔段進行注漿，在注漿壓力的作用下，漿液向鉆孔壁滲透并填充鉆孔周圍裂縫。施工前提前注備好封孔材料運至現場，包括封孔泵、注漿管、水泥、聚氨酯等。封孔長度不得小于8 m(兩頭聚氨酯封孔各2 m，中部水泥漿4 m)。封孔步驟為安裝注漿管→聚氨酯封孔→注水泥漿→關閉注漿管閥門→封孔結束。

2.4 水壓裂后上隅角瓦斯濃度分布變化情況及特征

水壓預裂后頂板裂隙更加發育，促進工作面上下隅角垮落帶頂板及時垮落、裂隙帶斷裂下沉。143工作面平均傾角為13°，通過水壓預裂，上隅角頂板及時跨落后，采動空間和裂隙成為上隅角游離瓦斯聚集區域。高位鉆孔終孔位置施工在此段區域內時，高濃度瓦斯由頂部裂隙區鉆孔抽排，上隅角瓦斯大幅度減少。水壓預裂前后上隅角瓦斯濃度變化曲線如圖3所示，2018年3月14日第一次預裂，之前未進行水壓預裂，工作面配風量由1 140 m3/min增至1 800 m3/min，143工作面上隅角的瓦斯濃度為0.8%～1.3%；2018年3月18日第二次預裂，2018年3月22日第三次預裂，水壓預裂完畢后，在上隅角掛風障、低負壓抽采、高位鉆孔預抽、水壓預裂的共同作用下，上隅角的瓦斯濃度為0.18%～0.30%，為了進一步增強上隅角瓦斯抽采效果，還需對高位鉆孔瓦斯抽采技術進行優化。

圖3 水壓預裂后工作面上隅角瓦斯濃度變化曲線圖Fig.3 Variation curve of gas concentration in upper corner of working face after hydraulic presplitting

3 抽采鉆孔設計理論計算

3.1 覆巖裂隙帶高度預測

高位鉆孔的有效長度、利用率、鉆場高度、距離、鉆孔數量和間距等參數，決定了抽采效果的優劣，基于理論研究和現場實踐經驗，將鉆孔布置在裂隙帶中，才能夠發揮其最大作用。礦井綜采工作面覆巖裂隙帶高度計算公式見表2和表3。

表2 冒落高度計算公式Table 2 Calculation formula of caving height

表3 裂隙帶高度計算公式Table 3 Calculation formula of fracture zone height

根據新疆東溝煤礦地質勘查資料，偽頂主要巖性為炭質泥巖，直接頂主要巖性為粉砂巖，老頂主要巖性為粗砂巖，底板巖性主要為粉砂巖與泥巖，根據巖石力學參數測定結果，按照中硬巖層計算143工作面冒落帶高度和裂隙帶高度，其計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；∑M為煤層開采累計厚度，m。 經計算冒落帶高度為7.08～11.48 m；裂隙帶高度為30.79～41.99 m。

3.2 鉆場間距和數量的確定

確定鉆場間距是確保鉆孔與鉆孔間實現有效長度的搭接的重要手段，能夠保障鉆孔的高效抽采、有效利用率、長度及鉆場間距，其計算過程見式(3)～式(5)。

(3)

Ls=Lycosα

(4)

(5)

式中：ρ為鉆孔有效率，%；HK為鉆孔孔隙垂高，m；Hm采空區冒落帶高度，m；Ls為鉆場間距，m；Ly為鉆孔有效長度，m；α為鉆孔仰角，(°)；N為高位鉆孔個數，個；Q為鉆場合計抽采純量，m3/min；D為鉆孔直徑，mm；V為瓦斯流動速度，m/s；C為抽采瓦斯濃度，%。

根據上述對冒落帶和裂隙帶的初步計算，原設計高位鉆孔布置在回風順槽內，每組布置9個孔，鉆場之間的間距為40 m。

4 高位鉆孔優化及抽采效果分析

4.1 水壓裂控制下高位鉆孔優化設計

根據回采工作面礦山壓力規律，隨著工作面的回采，煤層在工作面周圍將形成一個采動壓力場，形成豎“三帶”、橫“三區”，在采動應力場中形成的裂隙空間便成為瓦斯流動的通道，高位鉆孔抽采的關鍵是選擇最佳的布孔層位和鉆孔與回風巷之間的平距，因此，將抽采鉆孔布置在工作面煤層頂板上部的裂隙帶內才能獲得最佳抽采效果。

根據這一原理，參考該高位鉆場瓦斯抽采的鉆孔參數，結合取得的實際效果優化下一個高位鉆場的瓦斯抽采鉆孔相關參數，具體優化步驟如下所述。

1) 高位鉆場的優化。1#高位鉆場施工時，是以143工作面回風順槽為基礎，內厝15 m，底板抬高10 m的位置開拓高位鉆場，施工工程量太大，耗工費時，其次是施工全部為巖石巷道。所以，后續高位鉆場施工時，在143工作面回風順槽采幫側施工高位鉆場，高位鉆場在143工作面回風順槽巷道底板高度的基礎上，抬高1 m作為鉆場底板高度，高位孔在直接頂內施工，以此避免鉆孔在偽頂中施工造成塌孔現象。高位鉆孔布置圖如圖4所示。

圖4 143工作面回風順槽高位鉆孔布置圖Fig.4 Layout of high level boreholes in return air duct of 143 working face

2) 鉆孔終孔高度優化。必須將抽采鉆孔終孔距布置在工作面煤層頂板的裂隙帶內，由于水壓預裂導致裂隙帶高度上移，所以將鉆孔終孔控制高度控制在15～25 m。鉆孔優化前后控制高度如圖5所示，其中方框區域為優化后增加的控制高程范圍。高位鉆孔施工參數見表3。

圖5 鉆孔優化前后控制高度對照示意圖Fig.5 Control height comparison before and after drilling optimization

表3 高位鉆孔施工參數表Table 3 Construction parameters of high level drilling

3) 高位鉆孔終孔間距優化。鉆孔開始抽出裂隙帶瓦斯時，相應滯后于工作面，這一距離稱為“開始抽出距離”，從開始抽出距離到鉆孔失去作用這一段距離稱為“有效抽采距離”。根據理論參考數據以及上一個鉆場的數據，終孔間距調整至8 m，終孔距離回風順槽1～41 m為最佳，鉆孔終孔平距控制范圍優化前后對比圖如圖6所示。 圖6中實線所示區域為優化前控制范圍，虛線所示區域為優化后控制范圍。

圖6 鉆孔終孔優化前后控制距離對照圖Fig.6 Comparison of control distance before and after optimization of final hole drilling

4) 減少鉆孔數量。由之前的12個孔減少到6個孔，優化后高位鉆孔平面布置圖如圖7所示。

圖7 優化后高位鉆孔平面布置圖Fig.7 Layout of optimized high level drilling

4.2 優化前后抽采效果分析

根據143綜放工作面回風巷瓦斯的實際測定，得到整個回采期間工作面回風中平均瓦斯變化規律。工作面回采期間回風巷瓦斯平均濃度如圖8所示。由圖8可知，高位鉆孔優化前整個回采期間工作面瓦斯濃度范圍基本穩定在2.73%～2.78%之間，最大平均濃度為2.88%；優化后工作面瓦斯濃度范圍基本穩定在2.67%～2.70%之間，最大平均濃度為2.77%，說明優化后瓦斯抽采效果顯著提高，回風巷瓦斯濃度明顯降低。

圖8 優化前后回風巷濃度對比Fig.8 Concentration comparison of return air roadway before and after optimization

5 結 論

1) 通過懸頂水壓預裂試驗表明，端頭懸頂走向長度從27～30 m降為5～8 m，傾向寬度從10～15 m降為2～5 m，工作面上隅角瓦斯控制在0.3%左右。

2) 水壓預裂必須合理定期開展才能確保高位鉆孔抽采對上隅角瓦斯濃度的有效控制。

3) 通過分析143工作面上部瓦斯積聚的隱患區范圍(頂板冒落帶和垮落裂隙帶高度)，并從鉆場位置、鉆孔高度、鉆孔間距和鉆孔數量優化了工作面高位瓦斯抽采鉆孔布置方案，為瓦斯抽采高位鉆孔、高位鉆場設計提供了試驗數據依據。

4) 通過在143工作面回風順槽巷道底板高度的基礎上抬高1 m，向采幫側開拓鉆場來優化高位鉆場，使高位孔能在直接頂內施工，以此避免鉆孔在偽頂中施工造成的塌孔現象。此外，優化后，終孔控制高度控制在15～25 m，終孔間距調整至8 m，終孔距離回風順槽1～41 m為最佳，鉆孔數量由原前的12個孔減少到6個孔。