李成成

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

深部煤層有顯著的“三高一低”現(xiàn)象，即“高應(yīng)力、高壓、高溫和低滲”特征[1-4]。目前，針對(duì)不具備保護(hù)層開(kāi)采條件的煤層，防治煤與瓦斯突出主要采用地面鉆井及煤礦井下預(yù)抽。其中，煤礦井下抽采主要又分為順層鉆孔和穿層鉆孔2種方式。地面鉆井抽采技術(shù)具有孔徑大、抽采率高、抽采半徑大、地面施工條件好等優(yōu)點(diǎn)，但是施工成本較高，煤層透氣性較低的煤層地面鉆孔預(yù)抽效果差。與地面鉆井抽采相比，煤礦井下采用順層鉆孔和穿層鉆孔防治煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害更易實(shí)施，但是煤礦井下大部分區(qū)域因?yàn)槭┕さ你@孔直徑小、煤層透氣性較低，抽采的瓦斯量偏小，瓦斯?jié)舛绕?；而增大鉆孔直徑、提高煤層透氣性、降低煤巖層應(yīng)力狀態(tài)、強(qiáng)化封孔質(zhì)量、提高瓦斯抽采濃度是提高該措施效果的常用方法之一。國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)高瓦斯低透氣性煤層的強(qiáng)化抽采技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，主要集中在2個(gè)方面：①松動(dòng)爆破法[5-9]，包括中深孔爆破、聚能爆破、水壓爆破等；②水力增透措施[10-17]，包括水力擠出、低壓水力沖孔、中高壓水力割縫和水力壓裂等。在深部在高地應(yīng)力、高瓦斯、低滲透煤層條件下，瓦斯抽采難度大，并且煤層瓦斯預(yù)抽后煤與瓦斯突出災(zāi)害依然時(shí)有發(fā)生[18-20]，單一依靠順層及穿層鉆孔瓦斯預(yù)抽已不能滿足煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治需求。因此，亟須構(gòu)建適用于深部煤層條件下順層鉆孔卸壓增透及封孔提濃技術(shù)。

1 割縫封孔原理

1.1 鉆孔應(yīng)力分布

在鉆孔軸向方向上受到巷道掘進(jìn)應(yīng)力影響，在鉆孔徑向方向上受鉆孔鉆進(jìn)二次應(yīng)力影響，巷道及鉆孔周圍發(fā)生卸壓破壞形成松動(dòng)圈，如圖1所示。

圖1 鉆孔應(yīng)力分布Fig.1 Borehole stress distribution

鉆孔封孔段處于巷道松動(dòng)圈影響范圍內(nèi)，特別在破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)煤體破壞程度高且裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生漏氣通道。若鉆孔封孔深度不超過(guò)巷道裂隙區(qū)，則不能保證封孔效果。長(zhǎng)距離封孔，易形成抽采盲區(qū)，存在安全隱患。另外，割縫帶壓封孔工藝的縫槽切割位置應(yīng)保證超過(guò)巷道圍巖塑形區(qū)，避免加劇煤體破碎程度，增加封孔難度。

1.2 割縫封孔方式

割縫封孔工藝是基于傳統(tǒng)“兩堵一注”封孔原理，在封孔段采用割縫方式輔助封孔的新型封孔工藝，如圖2所示。主要封孔結(jié)構(gòu)包括堵頭、注漿管、返漿管、抽采管、抽采篩管及環(huán)形縫槽。

圖2 割縫封孔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of slotting and hole sealing structure

2 合理封孔深度及位置

2.1 巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值分析

以煤礦實(shí)際地質(zhì)條件為背景，建立數(shù)值模型。在模型中心布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲得圍巖內(nèi)部的應(yīng)力及位移量，分別繪制監(jiān)測(cè)曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 巷道圍巖應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of roadway surrounding rock

由圖4得出，在巷道圍巖周邊0～4 m內(nèi)，煤體內(nèi)部應(yīng)力顯著降低，處于卸壓區(qū)。4～15m內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，4～6 m內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，

圖4 巷道圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Stress monitoring curve of roadway surrounding rock

且應(yīng)力逐漸減小。在4 m出現(xiàn)應(yīng)力峰值點(diǎn)，即為巖石的峰值強(qiáng)度點(diǎn)，應(yīng)力值為22.47 MPa。4～6 m內(nèi)應(yīng)力降低速率小，呈現(xiàn)塑性破壞特征。隨著向圍巖內(nèi)部延伸應(yīng)力成線性降低，呈彈性變化特征，15 m范圍外應(yīng)力與原巖應(yīng)力基本一致。

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)分析

采用直徑為42 mm的煤電鉆在五輪山煤礦8號(hào)煤層1089工作面運(yùn)輸巷煤巷兩幫中部位置布置6個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，單孔間距為5 m，鉆進(jìn)深度為15 m。通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位進(jìn)尺的排渣量，對(duì)各鉆孔鉆屑統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行曲線擬合，如圖5所示。

由圖5知，在孔深3 m范圍內(nèi)，鉆孔的鉆屑量較少。在3～7 m鉆屑量呈線性增大，在7 m處鉆屑量達(dá)到最大值超過(guò)6.0 kg/m。隨著孔深增加鉆屑量逐漸降低，在孔深12 m以后鉆屑量趨于穩(wěn)定。

圖5 鉆孔鉆屑量分布Fig.5 Distribution of drilling cuttings

2.3 割縫封孔合理深度及位置

割縫帶壓封孔工藝需在封孔段切割環(huán)形縫槽，

割縫位置不低于6 m且控制封孔段縫槽間距在2 m以上。綜合考慮，對(duì)8～15 m鉆孔封孔深度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

切割水壓及時(shí)間是控制縫槽深度的關(guān)鍵因素，成正比例關(guān)系。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 割縫深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of slotting depth test data

通過(guò)割縫試驗(yàn)，其合理的縫槽深度應(yīng)控制在0.25～0.50 m。

基于礦井現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)4組對(duì)比鉆孔，每組4個(gè)鉆孔，方位角230°，傾角為-2°～2°，孔徑113 mm，孔深為140 m，孔間距5 m。P組鉆孔(1號(hào)—4號(hào))封孔采用傳統(tǒng)“兩堵一注”工藝，設(shè)計(jì)深度15 m。G1—G3組(5號(hào)—16號(hào))試驗(yàn)鉆孔采用割縫帶壓封孔工藝，設(shè)計(jì)封孔深度分別為10、12、15 m，封孔段縫槽數(shù)量分別為1、2、3條。

圖6 鉆孔布置Fig.6 Drilling layout

P組鉆孔初始抽采濃度45%，平均35%。G1—G3組鉆孔初始抽采濃度分別為71%、84%、80%，平均分別為63%、74%、75%。G1—G3組試驗(yàn)鉆孔比P組鉆孔瓦斯始抽濃度提升1.5～2.0倍，平均瓦斯抽采濃度提升1.77～2.14倍。G1—G3各組鉆孔在封孔深度、縫槽數(shù)量相同的條件下，隨封孔深度增加而增加。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證采用割縫帶壓封孔工藝的試驗(yàn)鉆孔封孔效果較好。綜合考慮，合理的封孔參數(shù)為封孔深度12 m，封孔段縫槽2條，切割縫槽深度為0.5 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 煤層條件

五輪山煤礦首采8號(hào)煤層，煤層平均厚度2.02 m，瓦斯含量18.58 m3/t，瓦斯壓力最大3.0 MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.52，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇為1809工作面，工作面長(zhǎng)度155 m，走向長(zhǎng)度560 m。

3.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)2組共30個(gè)試驗(yàn)鉆孔。其中，1—15號(hào)為割縫封孔技術(shù)應(yīng)用鉆孔，15—30號(hào)為普通對(duì)比鉆孔，鉆孔間距4 m，鉆孔長(zhǎng)度140 m，割縫組與對(duì)比組間距20 m，如圖7所示。根據(jù)割縫工藝參數(shù)研究結(jié)論，確定割縫封孔提濃鉆孔割縫間距3 m，割縫壓力90 MPa，割縫時(shí)間10 min，割縫旋轉(zhuǎn)速度60 r/min，封孔參數(shù)為封孔深度12 m，封孔段縫槽2條，切割縫槽深度為0.5 m。

圖7 試驗(yàn)鉆孔布置平面Fig.7 Layout plan of test boreholes

4 試驗(yàn)效果分析

4.1 鉆孔出煤量分析

在1809運(yùn)輸巷15個(gè)割縫封孔提濃試驗(yàn)鉆孔統(tǒng)計(jì)出煤量，如圖8所示。

從圖8中，可知15個(gè)割縫鉆孔平均單刀出煤量最小為0.30 t，最大為0.39 t，平均為0.35 t，計(jì)算等效半徑為2.06 m。單孔平均出煤量14.19 t，割縫鉆孔累計(jì)出煤量為212.8 t。

圖8 割縫鉆孔出煤量Fig.8 Coal output from slotting drilling

4.2 瓦斯抽采效果對(duì)比

(1)瓦斯抽采濃度考察。抽采60 d采用割縫封孔的割縫鉆孔與普通鉆孔單孔抽采濃度變化曲線如圖9所示。割縫孔平均抽采濃度最大80.4%，最小58.7%，平均70.7%；普通鉆孔平均抽采濃度最大59.9%，最小30.4%，平均42.4%，割縫封孔技術(shù)使鉆孔平均抽采濃度提升28%。

圖9 割縫鉆孔與普通鉆孔瓦斯?jié)舛葘?duì)比Fig.9 Comparison of gas concentration between slotting and ordinary boreholes

(2)瓦斯抽采純量考察。抽采60 d內(nèi)割縫鉆孔與普通縫鉆孔單孔平均抽采純量變化曲線如圖10所示。由圖10可知，割縫孔平均抽采純量0.194 m3/min；普通鉆孔平均抽采純量0.049 m3/min。割縫孔平均抽采純量是普通鉆孔的3.96倍。

圖10 割縫鉆孔與普通鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比Fig.10 Comparison of gas extraction purity between slotting and ordinary boreholes

(3)煤層透氣性對(duì)比分析。試驗(yàn)前，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)8號(hào)煤層原始透氣性系數(shù)為1.575 m2/(MPa2·d)，煤層滲透率為0.039 4×10-3μm2；超高壓水力割縫試驗(yàn)后再次測(cè)得3號(hào)煤層透氣性系數(shù)提高為5.355 m2/(MPa2·d)、煤層滲透率提高為0.133 9 ×10-3μm2，割縫試驗(yàn)前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)煤層滲透性產(chǎn)生顯著

性變化，割縫后滲透性提高為割縫前的3.4倍。五輪山煤礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，超高壓水力割縫卸壓增滲技術(shù)及裝備顯著提高煤層滲透率。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)基于順層鉆孔封孔漏氣及瓦斯抽采濃度低問(wèn)題，提出了割縫封孔提濃方法。

(2)采用割縫帶壓封孔工藝試驗(yàn)鉆孔比傳統(tǒng)“兩堵一注”封孔方式的鉆孔平均瓦斯抽采濃度提升1.77～2.14倍。

(3)采用超高壓水力割縫，煤層割縫半徑達(dá)到2.06 m。在孔口割縫封孔后，鉆孔平均抽采濃度70.7%，抽采純量為割縫前鉆孔的3.96倍。