松软低透煤层穿层钻孔诱突技术探索及工程实践_邵卫华.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.010松软低透煤层穿层钻孔诱突技术探索及工程实践邵卫华（中煤资源发展集团有限公司河南分公司，河南 郑州 450000）摘要 郑州矿区开采的二1煤层为松软、低透煤层，瓦斯治理难题一直未得到突破。为了探索此类问题，分析了煤层卸压增透机理和适用条件，提出钻孔内诱导煤与瓦斯突出卸压增透的技术构想，并实践了大孔径水力冲孔诱突技术措施。实践研究发现，采用水力冲孔诱突技术措施后，其平均单孔瓦斯抽采量是普通措施孔的 3.4 倍；工作面预测指标 q和 s 值平均下降了 47%和 11%；钻孔诱突技术措施适用于煤层瓦斯含量大于 9 m3/t 的区域，反之则不适用。关键词 松软低透煤层；瓦斯抽采；诱导突出；煤与瓦斯突出；水力冲孔中图分类号TD712文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0029-040引言近年来，随着瓦斯治理技术和管理水平的不断进步，矿井瓦斯灾害事故率呈下降趋势1。但随着各瓦斯矿井开采深度的逐年增加，深部煤层瓦斯赋存条件更加复杂，瓦斯治理难度和成本逐年增大。特别是郑州矿区主采的二1煤层，由于煤岩结构强度低（“三软”煤层），其深部开采瓦斯地质条件复杂、瓦斯含量高和透气性低成为主要特征。目前郑州矿区各矿井主要采用底板岩巷穿层钻孔治理瓦斯，主要技术措施包含水力冲孔、水力压裂、水力割缝以及深孔爆破预裂煤层等技术，但各项技术措施在实施过程中还存在差异性大、成本高、效果差、施工难度大等诸多问题。为了探索更有效的钻孔卸压技术措施，降低“三软”煤层瓦斯治理难度，本文提出了穿层钻孔水力诱突技术，并通过实践进一步探索钻孔卸压增透新方法。1瓦斯治理实践及问题分析针对郑州矿区各矿井瓦斯治理技术措施实施情况，进行了现场调研和统计分析。（1）水力压裂：在 31041 工作面采用顺层和穿层 2 种钻孔进行水力压裂试验，水压 1222 MPa。31041 工作面煤层平均瓦斯含量 8.14 m3/t，煤层平均厚度 4.6 m。实践及相关研究表明：“三软”煤层中压裂过程煤岩裂隙漏水严重发生，无法保证压裂时间；煤体结构松软，在压裂过程中反复加压和水流作用下，钻孔内煤体“泥化”现象严重；钻孔卸压后，孔内煤泥浆护壁或者堵塞钻孔，对瓦斯抽采非常不利；钻孔瓦斯抽采特征主要表现为抽采周期短，瓦斯衰减快2，如图 1 所示。图 1几种增透措施钻孔抽放瓦斯对比（2）钻孔预裂爆破：在 31021 工作面实施钻孔预裂爆破试验。31021 工作面煤层平均瓦斯含量8.68 m3/t，煤层平均厚度 5.2 m。爆破钻孔施工在31021 底抽采巷内，孔径 94 mm，孔间距 10 m，爆破孔中间布置导向孔，孔径同爆破孔。采用乳化炸药煤孔段满装措施。爆破孔和导向孔均进行联网抽采瓦斯。实践表明，煤层预裂爆破后钻孔瓦斯抽采效果不理想，如图 1 所示。分析认为：在爆破过程中煤层结构应力发生集中改变，煤层中产生裂隙。由于其结构松软，爆破产生的集中应力在深层三维应力下很容易在结构恢复的过程中消除，在煤层中爆破产生的裂缝甚至会发生二次密实效应，导致煤层透气性大大降低，对钻孔瓦斯抽采最为不利。（3）水力割缝：在 22031 工作面实施水力割缝技术试验。22031 工作面煤层平均瓦斯含量 9.01 m3/t，煤层平均厚度 6.2 m。割缝钻孔布置在 22 采区底板抽采巷内，终孔间距 15 m，割缝水压 1025 MPa，割冲孔钻孔爆破钻孔割缝钻孔压裂钻孔钻孔瓦斯抽采时间/d钻孔日瓦斯抽采量/（m3/d）200150100500102030400能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1292023 年 2 月Feb.,2023缝后全孔深封孔并联网抽采瓦斯。实践表明，煤层实施穿层钻孔水力割缝后，瓦斯抽采量和抽采周期均未有明显增加，瓦斯抽采效果同穿层钻孔水力冲孔技术措施，如图 1 所示。分析认为，松软煤层中水力割缝产生的裂隙容易闭合，割缝效果受煤层坚固性系数影响较大。实践发现，割缝过程中较高的水力压力容易造成钻孔塌孔，最终导致钻孔堵塞并发生瓦斯喷孔情况。同时，割缝钻孔施工效率低下、成本较高。（4）水力冲孔：在 21121 工作面实施水力冲孔技术试验。21121 工作面煤层平均瓦斯含量 8.68 m3/t，煤层平均厚度 4.8 m。水力冲孔钻孔布置在 21121底板抽采巷内，孔径 94 mm，孔间矩 10 m，冲孔水压一般为 0.51 MPa，根据煤层坚固性系数和钻孔排渣情况，适当调整水压和水量。实践表明，水力冲孔过程可对钻孔排渣和瓦斯进行控制，相较于水力割缝钻孔施工工艺更为简单，效率更高。瓦斯抽采效果与水力割缝钻孔接近，如图 1 所示。但对高瓦斯含量区域的水力冲孔措施考察发现，在冲孔过程中频繁出现瓦斯喷孔现象，特别是在煤层瓦斯含量大于 9 m3/t 区域，钻孔瓦斯喷孔率明显增大，导致施工效率低下且安全系数降低，瓦斯治理效果不够理想。2钻孔诱突设想及工程实践2.1钻孔诱突设想来源（1）由工程实践带来的设想。实践表明，在松软、低透储层中采用水力压裂、预裂爆破等“主动增透”技术措施易造成应力集中，裂缝闭合较快，煤层增透效果十分有限。在松软煤层中采取水力冲孔、水力割缝等“被动增透”技术措施较为理想。分析原因发现，主动增透技术是通过在煤层中增加额外应力，以改变煤层应力结构实现扩展煤层裂隙的一种方法。此技术对煤岩层稳定性要求较高，对于“三软”煤层适应性较差。被动增透技术是通过“掏出”煤体形成卸压空间，利用深部三维应力运移煤体，致使在煤层中被动产生裂隙的一种方法。对于结构松软的煤层，被动增透技术对瓦斯抽采更有利。所以，应该应该利用高压水在孔内冲刷煤体造穴，增加孔内煤壁应力自由面积，诱导煤体向自由空间运移，甚至诱导孔内发生煤与瓦斯突出（以下简称诱突），改善煤体透气性，增加钻孔瓦斯抽采效果。（2）由突出机理带来的设想。自 1834 年法国发生有史记录第 1 次煤与瓦斯突出以来，人类对煤与瓦斯突出的研究已近 200 a 之久，但至今相关研究工作还在继续。对于煤与瓦斯突出机理存在几十种假说，其中综合作用假说得到广泛认可和研究。综合假说认为，突出是深埋三维应力、煤层瓦斯压力和煤体结构强度综合作用的结果。在突出发展、发生过程中，三维地应力对煤体进行破碎，为搬运创造条件；煤层中大量瓦斯的释放对破碎的煤体进行搬运、抛出。从突出总过程来说，突出的发生需要 3个基本要素：地应力足够大，能破坏煤体结构；瓦斯压力足够高，能搬运、抛出煤体；煤体中需有应力自由面（采掘空间）存在，给煤体搬运、抛出留足空间。结合突出的 3 个要素分析认为，改变煤层原有应力（保护层开采）、降低煤层瓦斯压力（钻孔抽采）和增加煤体内部应力自由面（钻孔水力造穴）均是较好的卸载增透措施。因此，在单一、松软、低透煤层中治理瓦斯，增加煤体内部应力自由面技术，是最有效的选择。设想，施工大孔径穿层钻孔利用高压水力泄煤，在孔内造穴增大孔内煤壁的应力自由面，利用地应力和瓦斯压力诱导孔内周围煤体发生位移或煤与瓦斯突出，定能实现煤体充分卸压。2.2钻孔诱突技术工程实践2.2.1工程设备改造及技术参数调整为了避免高瓦斯区域水力造穴作业过程中由于瓦斯喷孔造成瓦斯超限问题，改造现场作业为远程控制操作。在作业机上增加控制单元和数据连接系统并导入现场视频和瓦斯监控系统，实施远距离视频作业。为了减少钻孔排渣堵塞问题，增大钻孔施工孔径为 113 mm；改进防喷孔系统，增加排渣管管径为 150mm，增加防喷孔箱体积容量使其达到 5m3。2.2.2钻孔诱突技术（1）地点选取及设计。21141 工作面下副巷区域，区域最大瓦斯含量 11.82 m3/t，最大瓦斯压力1.24 MPa；煤层埋深 470510 m，煤层厚度 4.56.2 m，煤层倾角 19。钻孔布置在 21141 底板抽采巷内，终孔间距 15 m；造穴水压 0.520 MPa，根据钻孔泄煤和瓦斯情况适当调整。利用防喷孔箱控制瓦斯并进行气、煤、水分离。（2）冲孔施工现场管控。施工现场下风侧按要求悬挂 CO 和 CH4探头；施工地点通风系统独立，并保证畅通，严禁人员进入；远程操控台设置在反向风门外；钻孔造穴期间以孔内出现明显煤与瓦斯突出作为停止作业的条件（监控画面模糊、振动，孔内发出响声，监控瓦斯出现异常升高等现象）。否则，直至孔内反清水后停止作业。钻孔结束后全孔邵卫华松软低透煤层穿层钻孔诱突技术探索及工程实践302023 年 2 月Feb.,2023深护孔封孔并联网抽采瓦斯。（3）孔内煤与瓦斯突出情况。据现场监控画面显示，随着水力造穴进一步进行，泄煤量逐渐增加，孔内造穴体积逐渐增加，在瓦斯和应力作用下，孔内发生煤与瓦斯突出，并伴有大量煤粉和瓦斯喷出钻孔。如图 2 所示。注：应力自由面面积为统计的钻孔泄煤量根据煤体密度和煤层厚度换算而来。（a）突出前（b）突出中（c）突出后图 2钻孔诱突现场视频截图对 21141 底板抽放巷 4 个钻场 60 个钻孔煤层瓦斯参数、冲孔参数、钻孔泄煤量和突出参数进行统计，结果如表 1 所示。表 1冲孔诱突试验参数统计钻场编号钻孔数/个煤层坚固性系数平均煤层瓦斯含量/（m3/t）平均单孔泄煤量/t最大单孔泄煤量/t钻孔造穴最大水压/MPa钻孔突出率/%平均单孔突煤量/t最大单孔突煤量/t突出时应力自由面面积/m21150.411.821.22.111.1932.017.44.712150.4410.281.513.611.6801.654.015.933150.519.161.823.082.6200.871.6610.624150.538.232.023.973.16.70.0360.5414.52（4）试验结果分析：经过对表 1 中煤层瓦斯含量与钻孔泄煤参数和突出参数进行线性回归，得出如图 3 所示的关系特征。（a）瓦斯含量与泄煤及突出参数关系（b）煤层坚固性系数与造穴水压及突出参数关系图 3钻孔诱突煤层及瓦斯参数对突出的影响从图 3（a）可以看出，随着煤层瓦斯含量的增加，钻孔的喷孔率、平均单孔突出煤量和最大单孔突出煤量均呈增加趋势，可见瓦斯含量是突出的主要控制因素。随着煤层瓦斯含量的增加，造穴工程量参数均呈递减趋势，可见瓦斯含量越高突出越容易发生。同时，分析图 3（a）中煤层瓦斯含量与钻孔内煤与瓦斯突出率曲线关系可知，当煤层瓦斯含量大于 9 m3/t 时，煤与瓦斯突出率明显增加，反之则较低。所以，试验矿井煤层瓦斯含量低于 9 m3/t 时，不适用钻孔诱突技术措施。从图 3（b）可以看出，煤层坚固性系数与造穴水压呈正相关性，与钻孔煤与瓦斯突出强度和突出率呈负相关性，煤层坚固性系数0.5 时，水力造穴时钻孔突出率明显降低。可见，煤层坚固性系数值越大越不易造穴，煤与瓦斯突出强度也就越低。（5）钻孔抽采瓦斯效果考察：钻孔瓦斯抽放情况：选取平均瓦斯含量为 10 m3/t 区域 50 个水力冲孔钻孔（未采区诱突措施）的平均瓦斯抽采量，与同瓦斯含量区域采区钻孔诱突技术措施 30 个孔平均瓦斯抽放量做对比，抽放效果对比结果如图 4 所示。由图 4 可以看出，水力诱突措施钻孔瓦斯抽采量明显增加，在 40 d 的抽采周期内，诱突钻孔平均瓦斯抽采量 4 331 m3，是普通水力冲孔措施孔平均瓦斯抽采量 1 271 m3的 3.4 倍。工作面突出预测煤层瓦斯含量/（m3/t）应力自由面面积/m2钻孔突煤量/t钻孔泄煤量/t钻孔突出率/%151296301008060402008.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0平均单孔泄煤量最大单孔泄煤量钻孔突出率平均单孔突煤量最大单孔突煤量应力自由面面积钻孔突煤量/t冲孔最大水压/MPa钻孔突出率/%864201008060402000.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54煤层坚固性系数 f