穿层树状钻孔煤层增透技术在深部矿井的应用试验

张澜涛

(平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000)

随着矿井开采深度增加、应力增高，进一步降低了煤层的透气性系数，矿井瓦斯治理的“瓶颈”问题日益突出[1]。首山一矿所主采的己组煤具有地应力高、瓦斯含量高、渗透率低和煤层单一的特点[2]。煤与瓦斯突出是首山一矿煤层开采所面临的重要挑战。

对于深部单一低透气性煤层，瓦斯抽采是最为有效的防突措施之一[3]。在深部单一煤层增透理论和技术方面，我国学者进行了大量研究[4]。目前，煤层卸压增透技术主要有水力压裂、水力割缝和深孔爆破等[5]。申晋[6]等基于有限元数值模拟研究了高压水作用下煤层裂缝的扩展延伸规律；张寅[7]等在义马矿区开展了高压水力压裂试验。赵阳升[8]等通过室内1∶1大煤样的实验方法对水力割缝提高瓦斯在煤层的渗流速度和瓦斯抽放效率进行了研究；周廷扬[9]等在宁夏矿区汝箕沟煤矿开展了高压水割缝强化抽采试验。徐伟[10]采用了数值模拟和现场试验的方法对高瓦斯低透煤层松动爆破的有效影响范围进行了研究；吴小明[11]等为了预防淮南矿区石门揭煤中发生的突出灾害，对深孔松动爆破进行了现场试验。上述煤层增透技术，在单一煤层消突方面具有较好的效果。但目前瓦斯预抽增透技术依然存在抽采有效半径较小、布孔密集、钻场控制范围小、劳动强度高等缺点。由于首山一矿己组煤层透气性低，为了提高抽采效率，首山一矿急需一种抽采半径大的新技术。穿层树状钻孔以自进式钻头进行分支孔的钻进，采用割煤泄压的方式对主孔周边深部煤体进行增透，并形成树状抽采网络，具有降低钻孔的密集程度，增大钻孔控制范围的优势。因此，在首山一矿开展穿层树状钻孔的应用试验，对提高深部单一煤层的透气性，确保矿井的安全高效生产具有重要意义。

1 穿层树状钻孔钻进原理

穿层树状钻孔采用自进式水力喷射树状钻进工艺，其增透原理为[12-15]：首先，在煤层低位巷施工穿层钻孔，作为树状钻孔的主孔；然后，将转向器推进到主孔的煤孔段；最后，分支钻头沿转向器的轨道进入煤层进行自行钻进，形成树状钻孔的分支孔。改变转向器的方向和在钻孔中的位置，可以形成由主孔和多个分支孔构成的树状抽采网络。通过分支钻孔来提高主孔的泄压抽采影响范围，增加主孔径向深部煤体的透气性，从而提高单孔瓦斯抽采量，减少钻孔的施工个数。穿层树状钻孔钻进技术如图1所示。

图1 穿层树状钻孔钻进技术

1.1 抽采影响半径模拟分析

瓦斯抽采过程中，钻孔布置的一个重要依据是钻孔的抽采半径。目前，一般将抽采半径划分为抽采有效半径和抽采影响半径。对于深部低透煤层，由于煤层透气性太差，抽采有效半径太小，一般采用抽采影响半径指导钻孔的布置。

为了探讨穿层树状钻孔对煤层透气性的影响，在不考虑煤层赋存倾角影响的条件下。分别构建水力冲孔钻孔和穿层树状钻孔的几何模型，模型尺寸为15m×15m×15m，模型中间部分为煤层，煤层倾角为0°，厚度为2m；水力冲孔钻孔和树状钻孔的主孔直径均为75mm，穿层树状钻孔分支孔的深度为5m、孔径为0.05m，共设计4个分支钻孔。几何模型如图2所示。

图2 水力冲孔钻孔和树状钻孔几何模型

模型底部边界设为固定约束，四周边界约束水平位移，上部边界按上覆岩重力加载12.5MPa压力，且模型具有体荷载。煤层及其四周边界的瓦斯压力均按初始瓦斯压力值2.16MPa进行设定，钻孔边界瓦斯压力值设为一个标准大气压。

选取平顶山矿区某煤层物理力学参数进行研究。其中，岩层的弹性模量10GPa、泊松比0.25、密度2500kg/m3，煤层物理参数取值见表1。

表1 煤层物理参数表

采用COMSOL数值仿真软件进行模拟，分别得出预抽90d时，在水力冲孔钻孔和穿层树状钻孔抽采条件下煤层的渗透率分布和瓦斯压力分布，如图3、图4所示。

图3 煤层渗透率分布

图4 煤层瓦斯压力分布

由图3可以看出，水力冲孔钻孔增透区域主要沿钻孔轴向分布，沿钻孔切向渗透率迅速衰减为煤层原始渗透率。穿层树状钻孔泄压增透区域可以扩大到子孔的控制范围，高透煤层的体量大幅增加，但是煤层渗透率在穿层树状钻孔两端的应力集中区呈现相对减小的趋势。

从图4可以看出，水力冲孔钻孔与穿层树状钻孔瓦斯压力下降幅度较大区域均为位于距钻孔中心较近区域，随着煤体距钻孔中心距离的增加，瓦斯需要克服的流动阻力增大，离钻孔中心较近区域瓦斯渗流速度较大，煤层瓦斯压力出现大幅下降；在同等抽采时间下，水力冲孔钻孔的抽采影响半径小于穿层树状钻孔的，表明穿层树状钻孔可以显著地改善煤层瓦斯流动状况、促进瓦斯运移。

2 应用试验

2.1 工作面概况

试验地点在首山一矿的己15-17-12110工作面抽放巷，该工作面位于井田己二采区下延东翼上部第一个区段，紧邻己二采区己15-17-12090工作面下面布置。工作面西靠-760水平运输大巷及己二采区下延三条下山，东部邻近矿井53勘探线，北面紧邻该采区己15-17-12090工作面运输巷，以南尚未开采。己15-17-12110工作面设计走向长度为1550m，倾向长度为260m，采面回采己15-17煤层，可采储量282.1万t。己15-17-12110工作面所采煤层的厚度比较稳定，结构较为单一。己15-17煤层厚度4.0～4.7m，平均厚度为4.5m，煤层为合层状态。煤层倾角变化较大，一般在3°～13°左右，平均7°，在采面切眼附近煤层倾角较缓，在采面东部煤层厚度较为稳定。己15和己16-17煤层均为突出煤层，实测己15-17煤层原始最大瓦斯压力为1.38MPa，实测煤层最大原始瓦斯含量为10.46m3/t。

2.3.1 精密度试验 取“2.2.2”项下供试品溶液（编号：S2）适量，按“2.1”项下色谱条件连续进样测定6次。以岩白菜素峰的保留时间和峰面积为参照，记录各共有峰的相对保留时间和相对峰面积。结果，14个共有峰相对保留时间的RSD均小于1%（n＝6），相对峰面积的RSD均小于4%（n＝6），表明本方法精密度良好。

2.2 钻孔布置方案

在己15-17-12110工作面机巷低抽巷400～600m区段向煤体施工穿层钻孔，每组钻孔沿巷道轴向方向的间距为6m，每组施工7个钻孔，分为两排，其中，第一排钻孔编号为1#、3#、5#和7#，第二排钻孔编号为2#、4#和6#，排间距均为3m。钻孔主孔的终孔进入煤层顶板0.3～1.0m，按照类扇形布置，并控制到煤巷轮廓线两侧各15m，如图5所示。

图5 穿层树状钻孔布置示意图(m)

钻孔主孔孔径为94m，分支孔按照两层四个孔进行布置，分支孔孔径为0.05m，长度为4m。在钻孔钻进过程中，倘若发生顶钻、夹钻、喷孔、煤炮声等异常瓦斯动力现象时，在该穿层钻孔的前后各增补1个穿层钻孔。共设计施工穿层树状钻孔34组，共238孔。钻孔施工参数见表2。

表2 穿层树状钻孔施工参数

2.3 施工流程

穿层树状钻孔施工流程为：①穿层钻孔开孔；②穿层钻孔施工至终孔；③成组钻孔成孔后进行树状试验；④推进转向器，通过钻杆将其送至煤层；⑤安装推进机构，开泵，施工该钻孔煤层的第一层树状钻孔；⑥退1～3根钻杆后，施工该钻孔煤层的第二层树状钻孔；⑦对成组钻孔进行树状试验后打钻工区施工下一组穿层孔；⑧对成组进行树状试验的钻孔封孔；⑨钻孔实施带压封孔。

3 结果考察

3.1 抽采浓度考察

对己15-17-12110工作面低抽巷500m处穿层钻孔的流量和浓度进行测试、统计与分析。选择第27组1#、第29组3#和第14组4#三个穿层树状钻孔与对应的水力冲孔钻孔进行单孔瓦斯抽采浓度对比，结果如图6—图8所示。

图6 27组1#孔瓦斯浓度对比图

从图6可以看出，第27组1#孔在抽采0～10d瓦斯浓度下降的速度较大，随后上升，在24d后钻孔抽采浓度开始出现明显衰减，66d后浓度降到最低，主要是由于抽采过程中水对瓦斯抽采效果的影响，13d后水的影响逐渐减小；水力冲孔钻孔在3d后开始明显衰减，并在第40d下降到低于10%。

图7 29组3#孔瓦斯浓度对比图

从图7可以看出，第29组3#树状孔与第27组1#前期相似，同样是受分支钻孔钻进时残留水的影响，在抽采6d后水的影响逐渐减小，瓦斯浓度逐渐增加，在27d后钻孔抽采浓度开始出现明显衰减，在抽采60d后浓度下降到10%；水力冲孔钻孔在14d后开始明显衰减，在36d后降到8%。

图8 14组4#孔瓦斯浓度对比图

从图8可以看出，第14组4#树状孔在72d后钻孔抽采浓度衰减到最低；水力冲孔钻孔瓦斯抽采浓度在抽采40d后已经接近10%。

3.2 瓦斯抽采纯量考察

在对单个穿层树状钻孔抽采纯量进行考察时，同样采取与其相对应的水力冲孔钻孔的瓦斯抽采纯量进行对比，结果如图9—图11所示。

图9 27组1#孔抽采纯量对比图

从图9可以看出，第27组1#孔抽采纯量整体上高于水力冲孔钻孔，最高可达13.2m3/d。计算可知，该钻孔抽采72d时，累计抽采纯量为246.68m3(水力冲孔钻孔抽采44d时，累计抽采纯量为92.20m3)。

图10 29组3#孔抽采纯量对比图

从图10可以看出，第29组3#孔日抽采纯量整体上高于水力冲孔钻孔，最高可达10.00m3/d。计算可知，该钻孔抽采71d时，累计抽采纯量为376.48m3(水力冲孔钻孔抽采42d时，累计抽采纯量为59.28m3)。

图11 14组4#孔抽采纯量对比图

从图11可以看出，第14组4#孔日抽采纯量整体基本上高于水力冲孔钻孔，最高可达14.40m3/d。计算可知，该钻孔抽采75d时，累计抽采纯量为321.53m3(水力冲孔钻孔抽采48d时，累计抽采纯量为91.86m3)。

经过计算对比，穿层树状钻孔单孔平均日抽采纯量为3.47～5.30m3/d，是水力冲孔钻孔的1.58～3.66倍。

4 结 论

1)穿层树状钻孔抽采影响半径大于水力冲孔钻孔的，可以显著地改善煤层瓦斯流动状况、促进瓦斯运移。

2)穿层树状钻孔在深部低透煤层的抽采应用中，平均瓦斯抽采浓度较水力冲孔钻孔提高了1.30～1.80倍，且高浓度抽采周期延长。

3)穿层树状钻孔单孔平均日抽采纯量为3.47～5.30m3/d，是水力冲孔钻孔的1.58～3.66倍。

4)穿层树状钻孔的分支钻孔钻进时残留的水对钻孔前期瓦斯抽采效果产生一定的影响。