穿层水力冲孔措施在低透煤层中有效影响半径效果考察*

胡　杰，孙　臣

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

0　引言

预抽煤层瓦斯可有效释放煤中地应力及瓦斯潜能[1]，在一定煤层赋存条件下是一种行之有效的煤层区域消突措施[2,3]。随着矿井开采深度及规模不断加大，井下煤层瓦斯地质条件越加复杂和多变，致使瓦斯含量、瓦斯压力加大且分布不均，并使煤层透气性系数逐渐降低[4-5]，常规钻孔进行瓦斯抽采已无法满足现代矿井高效抽采的需要[6～8]。在这种背景下，水力化措施在低透气性难抽煤层增透消突中得到了广泛应用，刘明举等[9]在严重突出煤层采用水力冲孔措施起到了良好的综合防突效果，且大幅降低了校检超标率，提高巷道掘进速度；郭臣业[10]等提出了煤层控制水力压裂概念，实现了目标区域煤层的增透；宋维源等[11]阐述了水力割缝增透抽采瓦斯机理，现场试验表明水力割缝措施后渗透率大幅度增加，提升瓦斯抽采速度及抽采率。结果表明[12～14]：水力割缝、水力压裂以及水力冲孔等措施在煤层瓦斯高效抽采中取得了良好的效果，其中执行水力割缝及水力压裂措施需满足超高水压，并对装置精度、耐压能力等要求较高，同时高压注水钻进过程中在突出煤层可能诱发突出，相比而言水力冲孔卸压增透措施布置工艺简单，冲孔时间较短，在低透气性煤层尤其是在严重突出煤层中较其他水力化措施安全性更高[15]。但矿井在采取水力冲孔措施基础上便直接进行抽采管路接抽，并未对有效影响半径进行进一步研究，导致抽采钻孔布置参数不具有针对性及合理性，由于抽采钻孔间距较大则会形成抽采盲区从而造成安全隐患，而抽采钻孔间距较小则会增大工程量浪费生产成本，措施执行存在一定的盲目性。基于此，以平煤十三矿为试验矿井，对水力冲孔措施执行后对低透气煤层的有效影响半径进行效果考察，可有效指导抽采钻孔的参数布置，以提高煤层瓦斯抽采效率，从而加快煤层高效抽采。

1　水力冲孔增大煤层透气性机理分析

根据岩石力学理论[16]，钻孔开挖后围岩应力发生重新分布，形成了卸压区、应力集中区以及原岩应力区，如图1所示。根据应力与渗流特征的关系[17]，卸压区内煤体裂隙扩展，瓦斯能轻易地通过裂隙通道逸散到钻孔内；而应力集中区内煤体承压收缩，裂隙闭合，导致瓦斯难以逸散。

A—卸压区；B—应力集中区；C—原岩应力区图1　钻孔应力分布特征示意Fig.1　Drilling stress distribution feature picture

穿层钻孔水力冲孔措施中是以岩柱作为安全屏障，利用乳化液泵等设备产生的高压水射流冲刷钻孔孔壁周围的煤体，打破其平衡状态致使大量煤体和瓦斯在水射流作用下由钻孔排出，并在冲孔区域形成一定的孔洞。如图2水力冲孔措施前后应力分布特征所示，冲孔前由于单一钻孔孔径较小，对照图1，卸压区A区覆盖范围有限，从而造成瓦斯抽采流量小、浓度低，抽采效果差；执行水力冲孔措施后，孔洞周围煤体产生膨胀变形，使钻孔周围卸压区A的范围增大，且A区内煤体裂隙扩展发育，应力逐渐释放。根据瓦斯径向流动理论，瓦斯将由压力大的地方向压力小的地方运移，致使瓦斯能轻易地通过裂隙通道逸散到钻孔内，由于卸压范围内煤体内的裂隙进一步扩大，增大煤层透气性系数。

图2　水力冲孔措施执行前后应力分布特征Fig.2　Stress distribution feature picture before and after the hydraulic punching measures carried out

2　现场试验考察

2.1　试验工作面概况

平煤十三矿属平顶山天安煤业股份有限公司，设计生产能力为1.80 Mt/a，主采煤层为山西组下部己组煤，回采工作面采用钻孔预抽煤层瓦斯的防突措施，但由于煤层透气性系数低，瓦斯抽采效果不佳，造成钻孔施工工程量大，影响生产速率。根据煤层赋存条件及现有采掘条件，选择在己15-17煤层13051工作面机巷底抽巷内开展水力冲孔有效影响半径考察工作。13051工作面标高-602～-695 m，走向长1190 m，倾斜长180 m，主采己15-17煤层属低透气性煤层，平均煤厚达5.8 m，煤层倾角8～12°，煤层原始瓦斯含量为16.09 m3/t，原始瓦斯压力值3.6 MPa，经鉴定为突出煤层，13051回采工作面顺层抽采钻孔采用上下顺槽对向平行布置方式，抽采难度较大。

2.2　水力冲孔措施现场试验

为消除煤层赋存变化及地质构造影响，选择在13051工作面机巷550 m处煤层赋存稳定区域进行水力冲孔措施效果考察。为保证考察结果免受偶然因素影响，设计A，B，C 共3组试验测试钻孔，每组钻孔布置方式相同，组内共设计6个钻孔，其中1～5#钻孔为考察钻孔，开孔点位于机巷内，6#钻孔为采取水力冲孔的措施孔，开孔点位于机巷底抽巷内，考察钻孔距离措施钻孔的距离分别为1.25，3.75，6.25，8.75，11.25 m，组内钻孔布置方式示意图如图3所示。为了避免组间钻孔相互影响，各组钻孔间水平间距为25 m，并按照表1中设计参数施工。

图3　水力冲孔有效影响半径测试钻孔布置方式示意Fig.3　Drilling arrangement of effective impact radius based on hydraulic flushing measures

组号钻孔类型方位/°倾角/°煤孔长度/m钻孔总长/m封孔长度/mA组措施孔42806.5027.0010.00考察孔421021.0021.0010.00B组措施孔42707.5027.5010.00考察孔42922.5022.5010.00C组措施孔42757.0027.5010.00考察孔421121.5024.5010.00

本次试验采用钻、冲、防一体化水力冲孔装置并配合乳化液泵进行水力冲孔，其中钻头为钻冲自动切换专用钻头，通过控制水压来进行钻进与冲孔间的切换，水力冲孔工艺可归纳为：当水压低于0.5 MPa时，正常钻孔钻进，钻头到达设定位置时，增加水压至0.5 MPa以上，钻头内高压喷头出水继续钻进实现水力冲孔。根据试验方案进行钻孔施工，施工完毕后采用同样材质的马丽散对考察孔进行封孔，并将各组中的考察钻孔连接抽采管路。在执行水力冲孔措施前、执行水力冲孔措施过程中以及措施执行完成后，分别测定了各测试钻孔的混合流量及瓦斯浓度，并计算出纯流量。

3　试验结果分析

基于现场水力冲孔措施前后瓦斯浓度及纯流量对数据的读取整理，绘制成图，如图4所示。

图4　A组测定结果Fig.4　The determination results of Group A

以图4为例，A组试验中1#考察钻孔瓦斯浓度及纯流量冲孔前分别为7.6%及4.56 L/min，瓦斯浓度及纯流量冲孔后增加至25%及25 L/min，分别增至冲孔前的3.29倍及5.48倍；2#考察钻孔瓦斯浓度及纯流量冲孔前分别为12.2%及4.88 L/min，瓦斯浓度及纯流量冲孔后增加至32%及25.6 L/min，分别增至冲孔前的2.62倍及5.25倍；3#考察钻孔瓦斯浓度及纯流量冲孔前分别为7.8%及3.9 L/min，瓦斯浓度及纯流量冲孔后增加至16%及16 L/min，分别增至冲孔前的2.05倍及4.1倍；4#、5#考察孔浓度和纯流量基本不发生改变。由此1#、2#和3#考察孔均在水力冲孔有效影响范围内，而4#和5#考察孔不在水力冲孔有效影响范围之内，A组试验的水力冲孔有效影响半径范围约在3#和4#考察孔之间，为6.25～8.75 m。同理由图5：1#、2#考察孔在冲孔前后瓦斯浓度及纯流量有明显成倍增加，均在水力冲孔有效影响范围内，3#、4#和5#考察孔内浓度和纯流量基本未发生变化，B组试验水力冲孔有效影响半径范围约在2#和3#考察孔之间，为3.75～6.25m。同样由图6可得：C组试验的水力冲孔有效影响半径范围约在3#和4#考察孔之间，为6.25～8.75 m。

图5　B组测定结果Fig.5　The determination results of Group B

图6　C组测定结果Fig.6　The determination results of Group C

通过A，B和C 3组试验综合分析，得到十三矿13051工作面己15-17煤层水力冲孔的有效影响半径为6.75～8.25 m，同时考虑水力冲孔后钻孔周围的孔洞会随着时间的推移逐渐消失，裂隙逐渐闭合，取经验安全系数0.7，由此水力冲孔实际有效影响半径应为4.8～5.9 m之间。

4　结论

1)水力冲孔措施可有效降低煤体周围应力、增大煤层透气性系数，执行冲孔措施后单孔瓦斯浓度最低提高至2.05倍、瓦斯纯流量增至2.56倍以上，解决了低透气煤层瓦斯抽采效率低下的问题，有效增强防治煤与瓦斯突出的能力。

2)采用瓦斯流量法，通过对A，B，C 3组测试钻孔的现场考察，确定了穿层钻孔条件下己15-17煤层水力冲孔有效影响半径为4.8～5.9 m，可有效指导矿井瓦斯抽采钻孔合理参数布置，以实现煤层瓦斯高效抽采。

3)采用多组试验钻孔耦合考察分析，并结合安全系数提供了1种水力冲孔措施有效半径的考察方法，可推广应用于矿井其他生产工作面，对确立煤层瓦斯有效抽采半径具有一定的指导意义。

[1]于不凡，王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]．北京：煤炭工业出版社，2000.

[2]林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[3]胡杰，隆清明，李建功，等．顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规律研究[J]．煤炭科学技术，2017，45(2)：83-88.

HU Jie, LONG Qingming, LI Jiangong, et al. Study on time-space evolution law of gas drainage with drilling along coal seam[J]. Coal Science and Technology, 2017, 45(2):83-88.

[4]文光才，孙海涛．煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术[J]．煤矿安全，2015，46(11)：26-30.

WEN Guangcai，SUN Haitao．Ground well gas extraction techniques of mining area in coal mine[J]．Safety in Coal Mines，2015，46(11)：26-30

[5]徐阳．煤矿安全生产面临的问题及对策[J]．中国安全生产科学技术，2012，8(6)：229-232.

XU Yang. Faced problems and countermeasures of coal mine safety[J]. Journal of Safety Science and Technology，2012，8(6)：229-232.

[6]周世宁，林柏泉，李增华．高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要问题[J]．中国矿业大学学报，2001，30(2)：111-113.

ZHOU Shining, LIN Boquan, LI Zenghua．New thinking about exploitation of coal seams with high gas content and main problems to be researched[J]．Journal of China University of Mining & Technology，2001，30(2)：111-113.

[7]程远平，付建华，俞启香．中国煤炭瓦斯抽采技术的发展[J]．采矿与安全工程学报，2009，26(2)：127-139.

CHENG Yuanping，FU Jianhua，YU Qixiang．Development of gas extraction technology in coal mines of China[J]．Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(2)：127-139

[8]王兆丰，刘军．我国煤矿瓦斯抽采存在的问题及对策探讨[J]．煤矿安全，2005，36(3)：29-32.

WANG Zhaofeng, LIU Jun. The problems and countermeasures of coal mine gas drainage[J]. Coal Mine Safety, 2005, 36(3): 29-32.

[9]刘明举，孔留安，郝富昌，等．水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J]．煤炭学报，2005，30(4)：451-454.

LIU Mingju, KONG Liuan, HAO Fuchang, et al．Application of hydraulic flushing technology in severe outburst coal[J]．Journal of China Coal Society, 2005，30(4)：451-454.

[10]郭臣业，沈大富，张翠兰，等．煤矿井下控制水力压裂煤层增透关键技术及应用[J]．煤炭科学技术，2015，43(2)：114-118,122.

GUO Chenye, SHEN Dafu, ZHANG Cuilan, et al．Key technology and application of controlled hydraulic fracturing and seams permeability improvement in underground coal mine[J]．Coal Science and Technology，2015，43(2)：114-118,122.

[11]宋维源，王忠峰，唐巨鹏．水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用[J]．中国安全科学学报，2011，21(4)：78-82.

SONG Weiyuan, WANG Zhongfeng, TANG Jupeng. Principle of gas extraction by increasing permeability of coal seam with hydraulic cutting and its application[J]．China Safety Science Journal, 2011，21(4)：78-82.

[12]段康廉，冯增朝，赵阳升，等．低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究[J]．煤炭学报，2002，27(1)：50-53.

DUAN Kanglian, FENG Zengchao, ZHAO Yangsheng, et al. Testing study of methane drainage by bore and hydraulic-cutting seam from low permeability coal seam[J]．Journal of China Coal Society, 2002，27(1)：50-53.

[13]韩颖，宋德尚．低渗煤层高压水射流割缝增透技术试验研究[J]．中国安全生产科学技术，2014，10(12)：35-39.

HAN Ying, SONG Deshang. Experimental study on permeability improvement technology by cutting seam using high pressure water jet in coal seam with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology，2014，10(12)：35-39.

[14]刘勇，刘建磊，温志辉，等．多级破煤水力冲孔强化松软低透煤层瓦斯抽采技术研究[J]．中国安全生产科学技术，2015，11(4)：27-32.

LIU Yong, LIU Jianlei, WEN Zhihui, et al．Study on technology of hydraulic punching by multi-stage coal breaking for enhancing gas drainage in soft coal seams with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology，2015，11(4)：27-32.

[15]李波，张路路，孙东辉，等．水力冲孔措施研究进展及存在问题分析[J]．河南理工大学学报(自然科学版)，2016，35(1)：16-22.

LI Bo, ZHANG Lulu, KONG Donghui, et al．Hydraulic flushing research progress and its existed problems analysis[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2016，35(1)：16-22.

[16]钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[17]杨威．煤层采场力学行为演化特征及瓦斯治理技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2013.