松软低透气性煤层瓦斯抽采技术研究

景建强，李佳佳

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

0 引 言

我国煤矿煤层赋存条件较为复杂，高瓦斯松软低透气性煤层分布广泛，随着煤层开采深度增加，瓦斯治理难度显著上升，瓦斯灾害已成为困扰高瓦斯矿井安全高效生产的主要问题。对于松软低透气性煤层的瓦斯治理，目前主要采用保护层开采、地面钻井压裂、井下深孔爆破致裂、水力化增透措施等方法改变煤层透气性[1-3]，但受煤层赋存条件影响和增透技术使用条件的限制，目前这几种增透方法存在投入成本高、工序复杂、现场实施受限性大、工程应用经济性不高的问题[4-5]。鉴于多数高瓦斯矿井未系统开展过抽采工艺研究，因此从钻孔瓦斯抽采源头入手，寻求合理的钻孔抽采工艺和技术是解决松软低透气煤层瓦斯治理问题的关键。

本煤层预抽瓦斯是煤层采掘前根据现场抽—掘—采衔接安排，合理选择钻孔布置方式、抽采时间等，提前进行打钻和抽采，并达到预期抽采效果。目前垂直煤壁布置的密集钻孔在现场应用较多，受煤层透气性影响，瓦斯抽采难以达到预期效果[6]。根据弹塑性力学理论研究，在原始应力平衡岩层中，钻孔四周重新分布的应力超越岩体强度时会产生塑性变形，并从周边向岩体深处扩展，产生的塑性区内存在裂隙，可提高钻孔围岩体透气性，有利于瓦斯抽采。本文主要研究如何提高顺层钻孔附近塑性区的连通性，优化钻孔布置方式，提高开采煤层透气性，有效减少瓦斯抽采达标时间。

1 工程概况

赵庄矿开采3号煤层，煤层平均厚度4.55 m，瓦斯含量为6.99～12.73 m3/t。3号煤层的百米钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1525～0.4234 d-1，透气性系数为0.21～0.46 m2/MPa2·d，处于0.1～10 m2/MPa2·d，属可抽放类型，但透气性系数更接近0.1 m2/MPa2·d下限值，透气性较低。

矿井主要采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯预抽，因煤层松软且透气性低，钻孔流量衰减快、有效抽采时间短，抽采达标困难，严重影响矿井采掘衔接。为了寻求更好的瓦斯防治方法，分别开展了顺层加密钻孔抽采、底抽巷穿层钻孔卸压增透抽采和地面压裂增透促抽等试验，试验证明以上措施具有一定的效果，但投入成本高，难以在全矿推广应用。为此，必须从工作面瓦斯预抽源头入手，通过改进钻孔预抽方式提高钻孔预抽效果、修复预抽失效钻孔延长钻孔有效抽采时间，进而缩短抽采达标时间、提高煤层预抽率、减少本煤层瓦斯涌出。

2 本煤层预抽钻孔布置方式优化

2.1 钻孔周围应力分布特征

预抽钻孔施工过程中，钻孔四周原有的应力平衡被打破，钻孔成孔后，孔周应力重新分布，如图1所示，由孔壁向外应力分布依次呈现应力降低、峰后应力升高、峰前应力升高和原始应力恢复，最终形成新的应力平衡。新的应力平衡状态形成后，依据孔壁应力分布情况和煤体变形情况，钻孔周围煤体划分为松动区、塑性区I、塑性区II和弹性区。其中松动区、塑性区I位于应力降低的卸压范围，塑性区II位于峰前应力升高区域，峰后应力升高和原始应力恢复区域为弹性区[7]。

图1 钻孔周围应力分布及塑性区Fig.1 Stress distribution and plastic zone around borehole

松动区和塑性区煤体破裂疏松、裂隙沟通、煤层透气性增加，能够实现瓦斯的有效抽采，形成一定长度的钻孔抽采影响范围；峰后应力升高区域煤体应力增大、裂隙受挤压闭合，阻碍了钻孔抽采影响范围进一步向外扩展。

因此对钻孔瓦斯抽采来说，钻孔施工后形成的松动区和塑性区越大，钻孔抽采影响范围就越大，越有利于提高钻孔瓦斯抽采效率。钻孔成孔后周边存在应力集中和破碎区，选择合适的布孔间距和布置方式，使两钻孔应力叠加影响，增大塑性区范围，有效覆盖两钻孔之间的煤体区域。

2.2 抽采半径考察

钻孔间距是瓦斯抽采的关键性参数。钻孔间距选择的合理与否直接影响瓦斯治理成本的高低和瓦斯抽采效果的好坏，而钻孔间距又是根据钻孔抽采半径确定的，一般认为抽采半径与抽采时间、煤层原始瓦斯压力、煤层透气性系数等相关，每个矿井的瓦斯压力、透气性系数和抽采时间都不尽相同，需要根据矿井实际情况考察[8]。

采用瓦斯浓度指标法在1308工作面进行了抽采半径测定。如图2所示，共布置5个钻孔，其中1号孔为预抽钻孔，钻孔直径为94 mm，孔深120 m，2～5号孔为观测孔，钻孔直径为75 mm，与预抽孔的间距为1～2.5 m，观测孔孔深都为50 m。

图2 瓦斯抽采半径测定钻孔布置示意Fig.2 Borehole layout of gas extraction radius measurement

钻孔竣工后，对抽采孔进行正常封孔接抽并监测瓦斯抽采参数，每天1次；观测孔封孔后用孔塞密封，封孔管上留有检测孔，每天检测孔内瓦斯浓度。测得各钻孔浓度变化趋势如图3所示。

图3 瓦斯抽采半径测定钻孔浓度变化趋势Fig.3 The variation trend of borehole concentration measured by gas extraction radius

由图3（a）可以看出，开始阶段观测孔与1号预抽孔的瓦斯浓度变化趋势曲线均不相似，抽采50 d后，4号观测孔的瓦斯浓度变化趋势曲线与1号预抽孔浓度曲线基本一致，此时抽采半径为1 m。

由图3（b）可以看出，75 d后2号观测孔瓦斯浓度与1号预抽孔浓度曲线基本一致，此时抽采半径为1.5 m。

2、4号观测孔明显受到1号预抽空抽采的影响，随着时间的推移3、5号观测孔瓦斯浓度继续下降，处于自然释放状态，90 d后浓度仍在35%以上，与1号预抽孔的浓度曲线差别很大。因此钻孔预抽90 d后，抽采半径为1.5 m。

2.3 预抽瓦斯钻孔布置方式

根据抽掘采接替安排，钻孔预抽时间均不小于6个月，结合抽采半径考察结果，即3个月（90 d）抽采半径为1.5 m，设计预抽钻孔间距为3 m。

在13081巷选取了瓦斯赋存条件基本一致的3个互不影响的独立区域分别开展普通平行钻孔2 m、平行加密钻孔1 m和立体交叉钻孔布孔试验[9-10]。试验钻孔布置如图4所示。采用“两堵一注”封孔工艺，通过向封孔器两端的囊袋注速凝膨胀水泥，实现带压注浆，封孔段长度为8 m，封孔时带压注浆压力可达1 MPa以上。

图4 1 308工作面试验钻孔布置示意Fig.4 1308 working face test drilling layout diagram

（1）普通平行钻孔。

平行单排布置10个间距为2 m的钻孔，钻孔开孔处距离煤层底板1.4 m，钻孔倾角为3°，设计孔深120 m，钻孔直径94 mm。

（2）平行加密钻孔。

平行单排布置10个间距为1.5 m的钻孔，钻孔开孔处距底板1.4 m，钻孔倾角为3°，设计孔深120 m，孔径94 mm。

（3）立体交叉钻孔。

立体交叉钻孔布置间距为3 m，施工10个钻孔，下排钻孔开孔高度1.4 m，与煤壁夹角85°，钻孔仰角1°；上排钻孔开孔高度2.2 m，与煤壁夹角75°，钻孔仰角3°；设计孔深120 m，孔径94 mm。

2.4 瓦斯预抽效果考察

对1308工作面3种钻孔布置方式的抽采效果进行考察，每种布孔方式抽采钻孔浓度和百米钻孔流量如图5所示，可知13081试验巷道普通平行抽采钻孔的平均百米抽采量为0.014 m3/min·hm，衰减系数为0.027 d-1；平行加密钻孔的平均百米抽采量为0.0213 m3/min·hm，衰减系数为0.02 d-1；立体交叉钻孔的平均百米抽采量为0.0298 m3/min·hm，衰减系数为0.013 d-1，具体见表1。

表1 不同钻孔布置方式抽采效果统计Table 1 Statistics of extraction effect of different borehole arrangement

图5 预抽钻孔浓度、百米流量曲线Fig.5 Concentration and flowcurve of pre-drainage borehole

对抽采钻孔而言，百米钻孔抽采量越大，抽采效率越高；衰减系数越小，瓦斯来源持续稳定，钻孔有效抽采时间越长，瓦斯抽采效果越佳。根据表1可知，3种布孔方式中，立体交叉钻孔的百米钻孔流量最大，分别是普通平行钻孔和平行加密钻孔的2.13倍和1.4倍；同时立体交叉钻孔衰减系数最小，说明其瓦斯来源丰富稳定，钻孔有效抽采时间长。钻孔立体交叉布置可以使上下排钻孔应力叠加影响，塑性区沟通，增大塑性区范围，从而提高煤层透气性、增加瓦斯抽放量；此外与平行孔相比，立体交叉钻孔布置竖直方向上煤体抽采范围增大，瓦斯来源更丰富，支撑钻孔更长时间保持高流量抽采。

综上所述，立体交叉布置方式可以使钻孔获得高抽采流量和低衰减系数，高抽采流量保证了良好的抽采效率，低衰减系数又支撑钻孔长时间高效率抽采，因此立体交叉钻孔布置方式最优。

3 本煤层预抽钻孔二次修复

松软低透气性煤层钻孔成孔后，由于煤体自身承载能力弱，抽采一段时间后，钻孔内部平衡打破，造成孔壁失稳坍塌进而堵塞抽采通道，导致抽采钻孔失效，瓦斯抽采量急剧下降、衰减快、抽采效率低、抽采达标时间长[11-14]。

为此提出采用水力洗孔和下放筛管的方式对失效钻孔进行二次修复，延长钻孔有效抽采时间，提高抽采效果。

选取预抽1个月后抽采纯量降至0.01 m3/min以下的钻孔开展钻孔二次修复试验。在不破坏原钻孔封孔情况下打开失效钻孔，采用水力洗孔设备对失效钻孔进行清洗，洗孔管深入钻孔内部逐段清洗堵塞钻孔煤泥，清洗完毕后，立即通过封孔管向孔内下放筛管[15]，钻孔修复效果见表2。

表2 钻孔二次修复效果Table 2 Secondary repair effect of drilling holes

可以看出，采用该种方法对钻孔进行二次修复后，钻孔平均抽采量由原来的0.006 m3/min提升至修复后的0.025 m3/min，钻孔平均抽采量提高了4.2倍，试验效果明显，表明钻孔二次修复是解决松软低透气煤层钻孔易失效、抽采率低的有效措施。

4 结 论

（1）抽采半径考察得出，直径94 mm的抽采钻孔，其90 d抽采半径为1.5 m，设计预抽钻孔间距为3 m。

（2）对普通平行钻孔、平行加密钻孔以及立体交叉钻孔3种不同布孔方式考察，得出立体交叉钻孔布孔方式最优。立体交叉钻孔抽采时，衰减系数小；抽采能力是普通平行钻孔和平行密集钻孔的2.13倍和1.4倍。

（3）钻孔立体交叉布置可使上下排钻孔应力叠加影响，沟通和增大塑性区范围，提高煤层透气性；钻孔抽采煤体范围增大，瓦斯来源更丰富，支撑钻孔更长时间保持高流量抽采。

（4）采用水力洗孔和下放筛管的方式对失效钻孔进行二次修复试验，修复后钻孔平均抽采量提高了4.2倍，有效延长了钻孔有效抽采时间，提高了抽采效果。