敬復(fù)興 李 鋒 武永明

(1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司中馬村礦，河南省焦作市，454003；2.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司，河南省鄭州市，450046)

★ 煤礦安全 ★

中馬村礦圍巖抽采鉆孔一孔多用技術(shù)應(yīng)用研究

敬復(fù)興1李 鋒2武永明1

(1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司中馬村礦，河南省焦作市，454003；2.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司，河南省鄭州市，450046)

以中馬村礦27011工作面實(shí)際情況為背景，通過理論分析提出了井下鉆孔一孔多用抽采技術(shù)，并開展了一孔多用鉆孔現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該一孔多用鉆孔成功進(jìn)行了水力壓裂改造，影響范圍長(zhǎng)65 m，寬50 m；影響范圍內(nèi)采前預(yù)抽期平均瓦斯抽采純量達(dá)到803.4 m3/d，是改造前的7倍。

一孔多用 水力壓裂 瓦斯抽采

為解決本煤層透氣性造成的瓦斯極難抽采問題，相關(guān)科研工作者研發(fā)了水力強(qiáng)化本煤層增透技術(shù)和煤層圍巖抽采技術(shù)，在特定的地質(zhì)條件下都取得了較好的效果。針對(duì)中馬村礦煤層透氣性差，煤層構(gòu)造多，鉆孔在本煤層中極易塌孔等問題，如果鉆孔布置在煤層的圍巖中，將有效避免塌孔問題，且可以先后為采前預(yù)抽、采中卸壓抽采、采后采空區(qū)抽采服務(wù)，可以有效地提高鉆孔的利用率，從而減少鉆孔工程量，降低煤層瓦斯治理費(fèi)用，使煤礦瓦斯抽采由“抽得出”向“抽得快、抽得省”轉(zhuǎn)變。為實(shí)現(xiàn)采前、采中和采后的抽采，中馬村礦進(jìn)行了煤礦井下圍巖抽采鉆孔一孔多用技術(shù)研究，該技術(shù)具有鉆孔利用率高、抽采時(shí)間長(zhǎng)、抽采率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 圍巖抽采鉆孔一孔多用技術(shù)

圍巖抽采鉆孔一孔多用技術(shù)是指將抽采鉆孔布置在煤層頂板的合適層位，在鉆孔的使用周期中可以完成地質(zhì)探孔、鉆孔水力強(qiáng)化、采前預(yù)抽瓦斯、采中卸壓抽采和采空區(qū)瓦斯抽采的作用。圍巖抽采層一孔多用鉆孔示意圖如圖1所示。

(1)地質(zhì)探孔。煤層掘進(jìn)和回采前首先應(yīng)了解清楚采區(qū)地質(zhì)、煤層賦存等條件，采前在煤層頂?shù)装迨┕ゃ@孔，可以作為地質(zhì)孔超前探測(cè)掘進(jìn)頭或工作面前方的地質(zhì)情況，如斷層、陷落柱和褶曲的發(fā)育情況。同時(shí)，還可以對(duì)礦井水做一個(gè)超前探測(cè)，特別對(duì)掘進(jìn)頭的安全掘進(jìn)具有重要意義。但此孔施工后必須進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，否則會(huì)造成地質(zhì)解釋出現(xiàn)偏差。

圖1 圍巖抽采層一孔多用鉆孔示意圖

(2)儲(chǔ)層改造孔。圍巖抽采孔一孔多用技術(shù)可以通過鉆孔的水力強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層透氣性的改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的改造，增加煤層頂板和煤層的滲透性，使煤層中瓦斯通過頂板進(jìn)行抽采，從而實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的抽采，由于鉆孔為巖石鉆孔，大大降低了鉆孔的塌孔率，提高了鉆孔利用率，進(jìn)行鉆孔水力強(qiáng)化，解決了在軟煤較為發(fā)育的煤層進(jìn)行本煤層鉆孔水力強(qiáng)化的局限性。圍巖抽采層一孔多用鉆孔儲(chǔ)層改造采前瓦斯抽采示意圖如圖2所示。

圖2 圍巖抽采層一孔多用鉆孔儲(chǔ)層改造采前瓦斯抽采示意圖

(3)采前預(yù)抽孔。本煤層瓦斯預(yù)抽是目前防治掘進(jìn)工作面和回采工作面瓦斯突出、涌出的主要措施之一。頂?shù)装鍑鷰r抽采層鉆孔水力強(qiáng)化主要是將原有裂隙通過水力強(qiáng)化，將裂隙延伸，形成具有一定面積和抽放影響范圍的裂隙帶，增大瓦斯流出通道，提高瓦斯的抽采效率。

(4)采中抽采孔。在煤層掘進(jìn)和回采過程中，由于巷道卸壓，頂?shù)装鍘r層發(fā)生一定程度的變形，形成一定區(qū)域的卸壓帶。采煤過程中，煤層原有應(yīng)力平衡遭到破壞，在煤壁前方的煤體內(nèi)形成3個(gè)應(yīng)力區(qū)，即原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，如圖3所示。由于應(yīng)力降低區(qū)的存在，一定程度上擴(kuò)大了原有水力強(qiáng)化產(chǎn)生的裂隙范圍，裂隙進(jìn)一步延伸，抽放面積也得到擴(kuò)大。

圖3 圍巖抽采層壓裂抽采孔采中瓦斯抽采機(jī)理

(5)采空區(qū)瓦斯抽采。在回采工作面回采結(jié)束后會(huì)形成采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)各巖層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的不同從下至上可以劃分為“三帶”，即冒落帶(垮落帶)、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖4所示。在冒落帶中，破斷后的巖塊呈不規(guī)則垮落，排列也極不整齊，松散系數(shù)比較大，一般可達(dá)1.3～1.5。裂隙帶位于冒落帶之上，是指巖層破斷后，巖塊仍然排列整齊的區(qū)域。裂隙帶上方巖層僅出現(xiàn)下沉彎曲，稱彎曲下沉帶。

圖4 圍巖抽采層一孔多用鉆孔采后瓦斯抽采示意圖

上覆巖層在形成“三帶”過程中會(huì)造出大量的裂隙，瓦斯密度小于空氣，在采空區(qū)“三帶”形成的多孔介質(zhì)空間中，下部的冒落帶瓦斯?jié)舛容^低并含有大量工作面漏風(fēng)，高濃度瓦斯主要集中于冒落帶頂部和裂隙帶中下部。因此，利用頂板水力強(qiáng)化鉆孔可以抽放采空區(qū)瓦斯。

由于水力強(qiáng)化所形成的裂隙與采空區(qū)“三帶”形成的裂隙貫穿，形成了較大的裂隙帶，隨著工作面的逐漸推進(jìn)，采空區(qū)上覆冒落帶和裂隙帶也在跟隨工作面向前發(fā)育，裂隙范圍也越來越廣，通過負(fù)壓抽采可將頂板高濃度瓦斯積聚區(qū)的瓦斯抽出。

(6)截流圍巖及鄰近層瓦斯。在煤層頂?shù)装鍑鷰r抽采層施工鉆孔并進(jìn)行水力強(qiáng)化可以有效地抽采煤儲(chǔ)層、圍巖及鄰近層的瓦斯，如圖5所示。

圍巖抽采層一孔多用鉆孔強(qiáng)化的基本原理與本煤層相似，只是瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出途徑不同。其最大特點(diǎn)是在圍巖抽采層中施工鉆孔容易，抽采過程中鉆孔的維護(hù)簡(jiǎn)單、不易塌孔堵塞。軟煤儲(chǔ)層在本煤層無法實(shí)現(xiàn)水力強(qiáng)化的情況下，實(shí)施圍巖抽采層強(qiáng)化無疑是一條重要途徑。這一技術(shù)的突破將使鉆孔取代巖巷成為現(xiàn)實(shí)，將大大降低瓦斯區(qū)域消突的成本、顯著縮短工程施工時(shí)間、提高采掘效率。同時(shí)，合理的圍巖抽采層布孔，可實(shí)現(xiàn)煤礦井下一孔多用。因?yàn)榇斯に噷?duì)于任何煤體結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層都適用，除了煤層頂?shù)装逯苯訛閺?qiáng)水敏性泥巖外，對(duì)任何巖性頂?shù)装宥歼m用。

圖5 截流圍巖及鄰近層瓦斯

2 中馬村礦概況

焦作中馬村礦位于河南焦作東北部8 km，是焦作煤業(yè)(集團(tuán))下屬的重點(diǎn)煤礦之一。礦井始建于1955年9月，1970年7月投產(chǎn)。核定生產(chǎn)能力110萬t/a，開采二1煤層。二1煤層屬穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，位于山西組下部，煤層厚0.10～13.53 m，平均厚度5.90 m。二1煤層頂板主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖和砂巖組成，局部具炭質(zhì)泥巖偽頂，最厚可達(dá)1.58 m，頂板較平整，裂隙不發(fā)育；底板主要由泥巖、粉砂巖組成，局部具炭質(zhì)泥巖偽底，最厚可達(dá)3.00 m，巖性松軟。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)情況

3.2 鉆孔布置

ZM27011X01圍巖抽采層頂板順層鉆孔布置在27回風(fēng)巷，鉆孔開孔高度1 m，設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度100 m，實(shí)際完成鉆孔長(zhǎng)度110 m，方位角NE58.87°，傾角+1.37°，設(shè)計(jì)封孔長(zhǎng)度40 m，實(shí)際封孔31.5 m，孔徑94 mm，終孔距煤層垂距3 m，封孔段里端距煤層5 m，鉆孔布置如圖6所示。

圖6 圍巖抽采層一孔多用鉆孔布置圖

3.3 圍巖改造孔效果分析

為了提高圍巖抽采鉆孔的抽采效果，8月13日中馬村礦針對(duì)圍巖抽采鉆孔進(jìn)行了水力壓裂改造。壓裂時(shí)間85 min，最高壓力23.4 MPa，最大流量為0.78 m3/min，累計(jì)注水量為49.4 m3。0.5～1.5 min，壓力從2.4 MPa升至23.4 MPa，后降至19.2 MPa，提示煤層頂板巖石開始破裂產(chǎn)生新的裂縫；2～6 min，壓力保持在17～19 MPa之間，顯示有一些微裂縫仍在產(chǎn)生，裂縫在逐漸擴(kuò)展。根據(jù)已施工鉆孔的出水情況判定水力壓裂的影響范圍寬約50 m，長(zhǎng)約65 m。

3.4 采前預(yù)抽效果分析

ZX24011X01孔的影響孔共12組、51個(gè)孔，8月15日-9月3日共計(jì)抽采瓦斯純量為16067.3 m3，即平均每天的抽采純量為803.4 m3/d，是水力強(qiáng)化前抽采純量117.48 m3/d的7倍。強(qiáng)度抽采量為0.044 m3/(t·d)，影響范圍長(zhǎng)65 m，寬50 m，抽出瓦斯約0.044 m3/(t·d)。抽采曲線如圖7所示。

圖7 一孔多用鉆孔影響范圍孔組16-18抽采曲線

3.5 采中抽采預(yù)測(cè)

ZM27011X01孔布置在煤層的頂板，工作面前方由近及遠(yuǎn)依次形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)一般覆蓋工作面前方 15 m 范圍內(nèi)，煤層卸壓，煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，瓦斯壓力降低，煤層透氣性顯著增加，鉆孔瓦斯抽采流量開始大幅度提高，工作面回采時(shí)，工作面前方的煤層卸壓促進(jìn)了瓦斯抽采，圍巖抽采鉆孔抽采有效地減少了工作面瓦斯的涌出，保證了工作面回采的安全，也可以有效地防止工作面上隅角瓦斯超限。

4 結(jié)論

(1)提出了井下鉆孔一孔多用抽采技術(shù)，即先后實(shí)現(xiàn)地質(zhì)探孔、采前水力壓裂抽采、采中卸壓抽采、采后采空區(qū)抽采以及截流圍巖和鄰近層瓦斯等功能。

(2)以中馬村礦27011工作面為對(duì)象，進(jìn)行了煤礦井下一孔多用技術(shù)抽采試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明: 井下鉆孔一孔多用技術(shù)在采前水力壓裂抽采階段，抽采純量提高了7倍，20 d抽采瓦斯約1.6萬m3，取得了良好的抽采效果。

(3)由于ZM27011X01一孔多用鉆孔布置在煤層頂板，主要考慮鉆孔的穩(wěn)定性和煤層的滲透性改造，所以鉆孔布置的層位選在了煤層頂板上方3 m左右，在煤層回采后，鉆孔會(huì)發(fā)生坍塌，無法實(shí)現(xiàn)采后抽采采空區(qū)瓦斯的作用。下一步研究一孔多用鉆孔的布置層位，從而實(shí)現(xiàn)采前、采中和采后的三個(gè)時(shí)期的瓦斯抽采。

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Applicationresearchonmulti-applicationdrillingtechnologywithsurroundingrockdrainageboreholeinZhongmacunMine

Jing Fuxing1, Li Feng2, Wu Yongming1

(1.Zhongmacun Mine, Jiaozuo Coal Company, Henan Energy Chemical Industry Group Co., Ltd., Jiaozuo 454003, China; 2.Henan Energy Chemical Industry Group Research Institute Limited Company, Zhengzhou, Henan 450046, China)

Based on the actual condition of 27011 work face of Zhongmacun Mine, the gas drainage technology with multi-application drilling for underground boreholes was proposed by theoretical analysis and was applied into industrial field test. The results indicated that multi-application drilling technology for hydraulic fracturing was successfully carried out on surrounding rock. The influenced range was 65 meter on length and 50 meter on width. The average gas drainage volume was 803.4 m3/d in pre-mining drainage period within the scope of influenced range, which is 7 times of that before hydraulic fracturing.

multi-application drilling, hydraulic fracturing, gas drainage

敬復(fù)興，李鋒，武永明. 中馬村礦圍巖抽采鉆孔一孔多用技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(12)：155-158.

Jing Fuxing, Li Feng, Wu Yongming. Application research on multi-application drilling technology with surrounding rock drainage borehole in Zhongmacun Mine[J]. China Coal, 2017，43(12):155-158.

TD712.6

A

敬復(fù)興(1982-)，男，河南焦作人，碩士，工程師，中馬村礦防突科科長(zhǎng)，現(xiàn)從事一通三防工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)