高压脉动注水提高瓦斯抽放技术的试验研究

周晓路

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.冀中能源张矿集团 宣东矿，河北 张家口 075000）

目前，在煤层中应用静压注水较普遍，但从现场结果来看，注水效果并不明显，原因是静压注水压力低、注水半径小、煤体润湿效果差。而对动压注水来说，一般是注水压力保持基本不变、采用高压注水泵强制注水；也可利用周期变化压力的脉动式注水泵强制注水。

应用较少的脉动注水在一定程度上克服了静压注水和动压注水的缺点（如工艺较复杂、防突效果不明显[1]等）。脉动注水可在煤层中形成槽缝和裂缝、扩大已有裂缝[2]，提高煤体的渗透性、润湿性、促使瓦斯排放，有利于防止煤与瓦斯突出。

1 煤层概况

宣东矿可采及局部可采煤层5层。主要可采煤层之一的Ⅲ煤层位于上部，埋深800～1 100 m，厚度0.85～6.96 m，平均 2.38 m；煤层瓦斯含量较高（7.2 m3/t）、瓦斯压力较大（1.6 MPa），属瓦斯突出煤层。

2 煤层高压脉动注水试验方案

高压脉动注水前后需要测定和检验的参数如下：①测定注水前后煤体水分含量：脉动注水前，应在工作面布置1个测点，利用刻槽法取样测定煤体含水率，其中刻槽大小可选高500 mm×宽100 mm×深50 mm。注水2 d后，仍用刻槽法在注水钻孔周围不同位置取样，测定煤体含水率[3]。②对比分析注水前后的瓦斯涌出情况：在井下进行脉动注水试验时，应记录注水开始时间、脉动频率、注水压力与时间的变化关系；然后可在地面上，把所需工作面的瓦斯浓度监测数据与时间的变化关系，通过地面瓦斯监测系统采集出来，分析注水过程中的瓦斯涌出特点。③注水前后突出预测、校检指标对比分析：在工作面前方煤体均匀布置3个42 mm钻孔，测量钻孔过程中的钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标K1值，并进行统计对比分析。距注水孔至少0.5 m，其一个钻孔位于巷道工作面中部、且大致与掘进方向一致，孔深8 m；另两个钻孔深度10 m，终孔点与巷道两侧轮廓线外的距离4 m，并向两侧偏角61°。钻屑量S的测量应是钻孔每钻进1 m测定1次，钻屑瓦斯解吸指标K1值的测量应是每钻进2 m测定1次。应在注水完成后两天后进行效果检验，效果检验孔应选在预测孔周边的位置。

3 煤层高压脉动注水现场试验

1）试验地点的巷道概况：Ⅲ3煤层三采区轨道上山及回风上山均沿煤层顶板布置，胶带上山沿煤层布置，试验地点在胶带上山煤巷掘进工作面进行。

2）煤层高压脉动注水试验的基本参数：煤层注水钻孔布置图，见图 1，钻孔 1、3、4、6 与工作面两侧的外侧偏角86°，钻孔长度16 m，直径75 mm，钻孔2、5与巷道的掘进方向平行，长度16 m。注水时间总计2.5 h，注水总量2.0 m3，注水前瓦斯浓度0.14%。根据防突规定，检测孔直径应为42 mm，孔深8～10 m。注水压力：初始2 MPa，注水过程中最高压力分别为6 MPa和8 MPa，注水频率1次/min，注水50 min后，维持一段时间后恢复到6 MPa。2 h后煤壁开始冒汗，高压、低压注水压力分别为8 MPa、2 MPa。

3）现场试验结果分析，分述如下。

①煤层高压脉动注水前后煤样全水分变化情况：采用QTSC-2000微机自动水分测定仪，对煤样原始全水分和注水后煤样全水分测定。图2为不同深度煤体含水率变化曲线，煤体含水量随深度不同而变化，含水率较高的为距离掘进工作面1～6 m的深度，而在7 m之后趋于平衡，但相对高于未注水煤层原始含水率。

图2 脉动注水后煤体水分随深度变化

②煤层高压脉动注水期间的巷道瓦斯浓度变化：图3是胶带运输上山（外）瓦斯探头测得的瓦斯变化曲线。瓦斯浓度数据通过瓦斯探头采集，每隔3 min记录一次，取该段时间中的最大值当做瓦斯浓度数据。从图看到注水期间巷道内瓦斯浓度与没注水前的0.14%相比，有适当的增加，且最大值达0.62%，可见煤层高压注水能驱逐煤层中的游离瓦斯，使煤层脉动注水期间的巷道瓦斯浓度明显增加。由图看出，脉动注水刚开始的一段时间内，驱出的瓦斯量较大，随着时间的延长，巷道瓦斯浓度慢慢稳定下来，但与注水前和注水后相比，煤层注水过程中巷道瓦斯浓度明显要高。注水能让煤体中的瓦斯得到释放，能较好预防煤与瓦斯突出。在刚开始的阶段，巷道瓦斯浓度较高，说明该阶段注水驱出来的瓦斯较多。而随着注水时间的延长，巷道瓦斯浓度逐渐稳定，但可看出注水过程中巷道瓦斯浓度与注水前后相比，要明显高。煤体湿润程度影响着瓦斯驱替效果，两者呈正关系，湿润程度高低决定着瓦斯驱替效果的好坏，从而影响着巷道内的瓦斯浓度。

图3 注水期间巷道瓦斯浓度变化

③煤层高压脉动注水前后的煤层瓦斯含量变化：预测的重要依据是煤层瓦斯含量。表1是脉动注水前后煤层瓦斯含量变化表。由表1可得到，区域措施效果检验，注水后吨煤瓦斯含量W由注水前的5.66 m3/t降为3.26 m3/t，表明瓦斯含量显著减少。

表1 注水前后煤层瓦斯含量变化表

④煤层高压脉动注水前后突出校验指标变化：防突区域验证及局部综合防突措施均采用“钻屑指标法”，钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标临界值分别为S＝5.4 kg·m-1、K1＝0.33 mL/（g·min1/2）。图4和图5分别为注水前后钻屑量随不同位置的变化图。由注水前后措施检验孔测得的突出指标实验数据可知，注水前K1值最大值0.38 mL/（g·min1/2），超过突出临界值0.33 mL/（g·min1/2），说明303轨道顺槽掘进工作面有煤与瓦斯突出危险，必须执行区域防突措施。而注水后煤层的钻屑解析指标最大值由原来的0.38 mL/（g·min1/2）下降为0.32 mL/（g·min1/2），钻屑量S与K1值都没有超过临界值，说明煤层高压脉动注水可有防治煤与瓦斯突出的效果。从图4发现，距离掘进工作面前方4 m的应力比其两侧的应力要高，表明应力峰值在4 m左右，应力松弛区为0～4 m。而从图5中得到，应力峰值的位置由注水前的4 m左右变为6 m左右，应力松弛区的位置由0～4 m变为0～6 m，松弛区的宽度增加。由于注水后水的软化作用使煤体的强度变低、弹性减小、塑性增大，改变了掘进动作面前方的应力分布状态，煤壁的支承压力峰值的位置向煤体内部转移，应力松弛区宽度增加。应力松弛区可以起到减少和阻止瓦斯突出的发生，从而煤层注水后，由于应力松弛区宽度的增加，相应增加了阻挡和抑制瓦斯突出的可能性。因此表明脉动注水较好地阻止了防治煤与瓦斯突出。

图4 注水前不同位置钻屑量

图5 注水后不同位置钻屑量

4 结论

经在Ⅲ3三采区胶带上山煤巷掘进工作面，进行煤层高压脉动注水防治煤与瓦斯突出的试验，结果表明：煤层高压脉动注水后，煤层瓦斯含量显著降低和煤层全水分明显增加；注水期间注水巷道瓦斯量大幅增加；煤层高压脉动注水后煤层的钻屑解吸指标K1最大值降到临界值以下，以钻屑量S为指标的应力峰值向煤体内部转移；据此看出煤层高压脉动注水可较好起到防治煤与瓦斯突出的作用。