吳鵬飛，李 普，尚政杰

(1.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 大平煤礦，河南 新密 452470；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.鄭煤集團(tuán)通防部，河南 鄭州 450042；4.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 白坪煤礦，河南 新密 452470)

煤炭在我國一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比舉足輕重，并且隨著國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)飛速發(fā)展，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)占較高的比例[1-3]?，F(xiàn)階段，我國煤炭開采逐步向西部和深部轉(zhuǎn)移，煤層賦存條件更加復(fù)雜多變，煤與瓦斯突出災(zāi)害更加嚴(yán)重[4-6]。部分礦井開采進(jìn)入全層構(gòu)造煤，煤質(zhì)松軟、透氣性差，瓦斯災(zāi)害防治更加困難。為了解決該類煤層瓦斯抽采技術(shù)難題，研究了制約煤層瓦斯抽采的主控因素，提出了基于工程化思維，系統(tǒng)考慮優(yōu)化封孔工藝、鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)體系，既提高了抽采效果，又降低了煤與瓦斯突出災(zāi)害防治成本，且縮短了消突時(shí)間，為該類煤層安全、經(jīng)濟(jì)開采提供技術(shù)支撐。

1 極低透氣性構(gòu)造煤瓦斯抽采影響因素

隨著現(xiàn)代化科學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者開始考慮溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)及地應(yīng)力場(chǎng)等對(duì)煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)的影響，對(duì)煤層瓦斯?jié)B流過程中的各種物理效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試和研究，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展形成瓦斯流動(dòng)多物理場(chǎng)耦合理論，建立了更為科學(xué)的瓦斯流動(dòng)模型，得出了煤體在三軸應(yīng)力的作用下，煤樣滲透性與應(yīng)力有關(guān)，滲透率隨應(yīng)力的增加而呈指數(shù)形式減小，瓦斯在煤層中的運(yùn)移主要受煤層瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)控制[7-9]。因此，煤層透氣性系數(shù)是影響瓦斯抽采的重要因素。

鉆孔瓦斯抽采是煤礦井下瓦斯災(zāi)害防治的重要舉措之一[10-12]，針對(duì)低透氣性煤層，國內(nèi)學(xué)者提出了煤層強(qiáng)化增透技術(shù)，如水力沖孔、割縫、壓裂等，一定程度上減小了瓦斯安全隱患。但是透氣性極差條件下的全層構(gòu)造軟煤，目前沒有成熟的瓦斯抽采技術(shù)，幾乎是瓦斯抽采的禁區(qū)[13-15]，制約該類煤層瓦斯抽采的主要客觀因素為難以成孔和封孔。長(zhǎng)期抽采實(shí)踐表明，低透氣性構(gòu)造軟煤采用水力沖孔、割縫、壓裂等增透技術(shù)措施，一定程度上提高了煤層透氣性，瓦斯抽采初期，瓦斯?jié)舛雀摺⒘髁看?，但是衰減較快，長(zhǎng)期抽采則出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象[16-18]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，塌孔、堵孔現(xiàn)象可達(dá)50%，幾乎處于報(bào)廢狀態(tài)，很難發(fā)揮作用。

鑒于此，提出了優(yōu)化封孔工藝、鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)體系。

2 基于工程化思維瓦斯抽采新工藝應(yīng)用

2.1 極低透氣性構(gòu)造軟煤瓦斯地質(zhì)賦存

白坪煤礦隸屬于鄭煤集團(tuán)，為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180萬t/a。礦井主采煤層為山西組二1煤層，研究區(qū)域位于礦井東區(qū)的13031工作面。受滑動(dòng)構(gòu)造影響，煤層厚度變化較大，煤層厚0.3～17.8 m。煤的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造完全受到破壞，局部見構(gòu)造煤二次壓固成煤，塊狀，不具原生結(jié)構(gòu)煤的特點(diǎn)，強(qiáng)度很低，指壓易碎，煤層堅(jiān)固性系數(shù)一般小于0.15。ΔP值一般大于20，平均17.7。煤層透氣性系數(shù)0.000 159 7～0.262 100 0 m2/(MPa2·d)，平均0.003 2 m2/(MPa2·d)。順層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.12～3.15 d-1，平均1.6 d-1；穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)5.80～29.21 d-1，平均16.06 d-1。13031工作面實(shí)測(cè)原始瓦斯含量6.00～9.29 m3/t，平均6.08 m3/t，原始瓦斯壓力0.16～1.74 MPa，瓦斯分布極不均勻且與埋深無關(guān)?？傮w上屬于較難抽采煤層。

2.2 瓦斯抽采新工藝技術(shù)方案

13031工作面煤層賦存條件復(fù)雜，傳統(tǒng)瓦斯抽采技術(shù)難以降低煤層瓦斯含量、減小工作面瓦斯涌出量。采用優(yōu)化封孔工藝、鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)提高瓦斯抽采效果，保障工作面安全回采。

試驗(yàn)巷道段設(shè)計(jì)32個(gè)鉆孔。其中，正常抽采孔4組，16個(gè)孔；優(yōu)化抽采孔4組，16個(gè)孔，孔徑均為94 mm。第1、3、5、7組鉆孔為傳統(tǒng)抽采鉆孔，未采取優(yōu)化措施；第2、4、6、8組鉆孔為新工藝抽采鉆孔，交叉布置，便于對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)穿層抽采鉆孔平面布置Fig.1 Plane layout of test cross layer extraction boreholes

單孔計(jì)負(fù)壓、濃度、流量，試驗(yàn)期間每2 d觀測(cè)1次,以確切掌握抽采鉆孔瓦斯流量、濃度、負(fù)壓等參數(shù)變化。

2.3 優(yōu)化封孔工藝瓦斯抽采效果分析

第2、4組鉆孔屬于優(yōu)化封孔工藝鉆孔，目的是考察在封孔深度5 m，優(yōu)化使用簡(jiǎn)易膠囊封孔器封孔，如圖2所示。封孔器前端連接φ50 mm、長(zhǎng)3 m的PVC花管，優(yōu)化封孔條件下流量及濃度變化特征，同時(shí)也為進(jìn)一步鉆孔修復(fù)打下基礎(chǔ)。

圖2 FK-100型囊袋式簡(jiǎn)易封孔器Fig.2 Fk-100 pocket type simple hole sealer

優(yōu)化封孔采用簡(jiǎn)易膠囊充氣膨脹，初期不能完全封堵抽采孔，會(huì)留有縫隙，負(fù)壓抽采時(shí)，空氣會(huì)從縫隙中流入，造成濃度偏小，抽采一段時(shí)間后，鉆孔收縮，簡(jiǎn)易膠囊封孔的密封性會(huì)逐漸變好?？装鍦y(cè)試濃度變化如圖3所示，抽采初期瓦斯?jié)舛冉档洼^快，約1個(gè)月后，抽采濃度出現(xiàn)明顯反彈，并且持續(xù)一定的時(shí)間。

圖3 第2、4組抽采孔瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)Fig.3 Change trend of gas concentration in the second and fourth groups of drainage holes

優(yōu)化封孔方式后，與傳統(tǒng)抽采孔相比隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，抽采負(fù)壓、抽采濃度、抽采混合量與抽采純量之間均呈正/余弦曲線變化的趨勢(shì)，而且具有一定的對(duì)應(yīng)性。抽采濃度明顯下降，但抽采純量總體變化不大，對(duì)比鉆孔瓦斯抽采純量見表1。表1中4組鉆孔均連續(xù)觀測(cè)抽采4個(gè)月，可以看出優(yōu)化封孔后與傳統(tǒng)囊袋封孔方式相比，鉆孔平均抽采濃度有所降低，但抽采量變化不大。從圖3也可以看出，孔板測(cè)試濃度變化的一個(gè)顯著特征是抽采初期瓦斯?jié)舛冉档洼^快，但大約1個(gè)月后，抽采濃度出現(xiàn)明顯反彈，并且持續(xù)一定的時(shí)間，說明采用簡(jiǎn)易膠囊封孔優(yōu)化封孔后期效果較好，同時(shí)優(yōu)化封孔后為后續(xù)鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透提供便利。

表1 優(yōu)化封孔工藝后瓦斯抽采效果對(duì)比Tab.1 Comparison of gas drainage effect after optimized sealing method

2.4 鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透瓦斯抽采效果分析

第6、8組鉆孔屬于鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透鉆孔(圖1)，目的是考察優(yōu)化封孔抽采1個(gè)月后拆開封孔器實(shí)施鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透再次封孔抽采條件下的流量及濃度變化特征。鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透是將高壓水送進(jìn)鉆孔內(nèi)，一方面，沖去堵塞鉆孔的浮煤和碎煤，起到修復(fù)解堵老孔的作用；另一方面，利用高壓水破煤，起到二次卸壓增透作用。

圖4 鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透示意Fig.4 Schematic diagram of borehole repair and secondary pressure relief and permeability enhancement

鉆孔修復(fù)的目的是疏通鉆孔并提高透氣性，煤體在高壓水射流的沖擊下發(fā)生壓碎破壞、拉伸破壞和應(yīng)力波破壞，而應(yīng)力波破壞又可通過應(yīng)力波的傳播擴(kuò)大高壓水射流沖擊煤體的影響范圍。煤體破碎被沖出后，隨著定點(diǎn)射孔作業(yè)的不斷進(jìn)行，鉆孔周圍部分煤體被逐漸沖出，在煤體中造成洞穴，鉆孔周圍應(yīng)力重新分布。如果煤(巖)體強(qiáng)度較低不能抵抗較高的應(yīng)力，鉆孔周圍將產(chǎn)生塑性區(qū)甚至破碎，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在一定范圍內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)力降低，形成卸壓帶，實(shí)現(xiàn)二次卸壓增透。

為考察優(yōu)化封孔+鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透瓦斯抽采效果，布置第6、8組抽采孔，連續(xù)觀測(cè)3個(gè)月，抽采濃度如圖5所示。

圖5 第6、8組抽采孔瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)Fig.5 Change trend of gas concentration in the sixth and eighth groups of drainage holes

鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透是在優(yōu)化封孔條件下進(jìn)一步采取的強(qiáng)化抽采措施，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，是傳統(tǒng)抽采鉆孔的1.41～1.85倍。連續(xù)抽采3個(gè)月觀測(cè)抽采數(shù)據(jù)見表2。從表2可知，優(yōu)化封孔+鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透優(yōu)化抽采，與第5、7組對(duì)比，瓦斯抽采平均濃度和抽采量均明顯提高，且瓦斯抽采純量3個(gè)月抽采量遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)4個(gè)月抽采量，有效提高了瓦斯抽采效率和抽采量，單孔平均瓦斯抽采量是優(yōu)化前的3.11～3.85倍。

表2 修復(fù)增透鉆孔與傳統(tǒng)抽采鉆孔抽采效果對(duì)比Tab.2 Comparison of drainage effect between repairing and increasing permeability drilling hole and traditional extraction drilling hole

通過以上分析可以得出，抽采孔首次采用優(yōu)化后的簡(jiǎn)易膠囊封孔，進(jìn)行鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透，在低負(fù)壓狀態(tài)下，有效避免了因負(fù)壓過大導(dǎo)致的抽采孔漏氣現(xiàn)象，提高了瓦斯抽采效率、抽采量，降低了管道維修成本，對(duì)于該類極低透氣性煤層井下預(yù)抽煤層瓦斯意義較大。

3 結(jié)語

(1)對(duì)極低透氣性構(gòu)造軟煤瓦斯抽采主控因素進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化封孔工藝、鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)體系。

(2)對(duì)比分析了傳統(tǒng)鉆孔與優(yōu)化鉆孔抽采效果，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化封孔工藝+鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)體系，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，是傳統(tǒng)瓦斯抽采鉆孔的1.41～1.85倍，有效提高了瓦斯抽采效率；優(yōu)化后3個(gè)月瓦斯抽采純量遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鉆孔4個(gè)月抽采量，單孔平均瓦斯抽采量是優(yōu)化前的3.11～3.85倍。