郝從猛

(華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層瓦斯是成煤過程中的伴生產(chǎn)物，成分以甲烷為主，并隨著開采的進行釋放到大氣中[1]，排放到大氣中的瓦斯氣體是引起全球溫室效應的重要因素之一[2]。另外，煤儲層中的甲烷氣體是誘發(fā)煤與瓦斯突出，引起瓦斯爆炸等事故的源頭[3]。目前，我國高瓦斯礦井占到50%～70%，并且隨著采深增加，煤儲層瓦斯含量和瓦斯壓力也不斷增大，瓦斯治理難度將持續(xù)加大。

由于我國大部分含煤地層成煤過程中經(jīng)歷了復雜的地質構造運動，因此受構造破壞的煤層普遍存在，這些煤層具有煤體破碎、煤質松軟、滲透性差等特點。據(jù)統(tǒng)計，中國的高瓦斯煤層和突出煤層中95%以上屬于低滲透煤層，滲透率只有10-4～10-3mD，比美國低3～4個數(shù)量級[4, 5]。為了提高煤層滲透性，科研工作者們提出了多種增透措施和技術。其中，水力沖孔技術是通過高壓水射流的沖擊將煤體破碎并排出，在煤體內部形成大量的孔洞，孔洞周圍應力得到釋放，集中應力向洞室深部轉移，洞室周圍煤體孔裂隙擴展延伸，使沖孔附近煤體卸壓增透，可以有效地提高造穴周圍煤體的滲透率。通過合理控制出煤量和布置造穴的位置可以達到區(qū)域煤體瓦斯高效抽采和大面積快速消突的目的，目前已成為提高松軟煤層滲透率的主要技術措施[6-8]。

首次應用水力沖孔進行煤層瓦斯災害治理時，為了科學的布置鉆孔，需要對控制區(qū)域內的煤層卸壓需求進行研究，進而確定控制區(qū)內水力沖孔措施的目標出煤量，即出煤率。然而，目前在工程現(xiàn)場應用時往往缺少對沖孔出煤率的考察及確定，使得施工存在一定的盲目性。本文結合現(xiàn)場案例，對突出煤層水力沖孔卸壓消突合理出煤率進行研究。

1 水力沖孔煤層卸壓消突機制

1.1 水力沖孔技術

水力沖孔技術最早于20世紀50年代開始作為在突出煤層中消突并掩護煤巷掘進的一種新技術在北票礦務局、焦作礦務局及南桐礦務局進行實驗應用[9]。盡管限于裝備和技術的落后未能大規(guī)模推廣，但由于其在煤層消突效果上的良好表現(xiàn)引起了廣大學者足夠的重視，以至于之后幾十年間水力沖孔相關的研究成果持續(xù)發(fā)表。近幾年，隨著裝備的不斷完善和理論研究的不斷深入，水力沖孔技術得到了大規(guī)模的發(fā)展和應用[10]。目前常用的水力造穴設備為“鉆沖一體化”裝備，即打鉆、沖孔自由轉換而無需更換鉆頭。如圖1(a)所示為目前較為先進的分體式水射流高低壓轉換裝置，配合鉆機及高壓水泵站可實現(xiàn)打鉆、造穴的自由轉換。沖孔效果如圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1 煤層水力沖孔裝置及沖孔效果

1.2 水力沖孔煤層卸壓消突機制

在地應力的作用下煤層裂隙閉合，瓦斯處于相對封閉狀態(tài)，鉆孔抽采效果較差。通過水力沖孔可大幅擴大鉆孔直徑，在煤體內部形成造穴洞室，洞室周圍煤體受到強烈的應力擾動作用，且由于自由面的產(chǎn)生使得煤體裂隙迅速發(fā)育，煤體應力重新分布而出現(xiàn)較大的卸壓范圍，在煤體損傷區(qū)域及卸壓區(qū)域內，滲透率大幅提高，可在較短時間內使煤體殘余瓦斯快速下降，進而消除煤體的突出危險性[11, 12]。

根據(jù)相關研究成果[13]，水力沖孔周圍煤體的應力-滲透性演化可分為三個區(qū)域，通過合理布置鉆孔及造穴出煤量，可以達到煤體快速消突的目的。水力沖孔及煤體應力-滲透性演化如圖2所示。按照類型通常分為從底板巖巷中施工穿層鉆孔(如圖2(a)所示)或者煤層巷道中施工順層鉆孔(如圖2(b)所示)進行沖孔造穴。造穴周圍一定范圍內的煤體會發(fā)生損傷卸壓及應力的重新分布，卸壓區(qū)煤體伴隨滲透率的大幅增高，如圖2(c)所示。

2 水力沖孔合理出煤率考察

2.1 試驗地點及考察流程

選取新景礦3#煤層3215工作面、3216工作面、3107工作面部分巷道進行順層鉆孔水力沖孔試驗。煤層堅固性系數(shù)為0.38～0.52，煤層平均瓦斯含量約為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3 ～2.26 MPa，有較大的煤與瓦斯突出危險性。同時，煤層為較難抽放煤層，瓦斯抽采十分困難，嚴重制約了煤巷的掘進效率和礦井采掘平衡。

合理出煤率考察過程包括：首先測定考察地點原始瓦斯含量；然后進行鉆孔的施工，期間測量沖孔出煤量及巷道風排瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)；之后進行封孔抽采，期間測定瓦斯抽采數(shù)據(jù)，抽采結束之后進行殘余瓦斯含量的測定；然后進行突出危險性的評價，判定有突出危險性則繼續(xù)采用局部措施進行消突，無突出危險性則進行巷道掘進；最后，統(tǒng)計巷道掘進期間的鉆屑瓦斯解吸指標及風排瓦斯?jié)舛?。具體流程如圖3所示。

圖2 水力沖孔及其周圍煤體應力-滲透性演化示意圖

圖3 出煤量指標考察流程圖

2.2 考察結果分析

2.2.1 出煤率對瓦斯抽采數(shù)據(jù)的影響

統(tǒng)計鉆孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量隨鉆孔出煤率的變化關系如圖4所示。從圖中可知，在煤層瓦斯抽采過程中，掘進工作面的瓦斯抽采濃度和純量均隨出煤率的增加而增加，這說明增加出煤率可以有效地改善煤層的瓦斯抽采效果。但是當出煤率大于10‰之后，瓦斯抽采數(shù)據(jù)增加將不再明顯，說明當出煤量增加到一定程度后，煤層的瓦斯抽采效果改善程度將降低。此外，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量數(shù)據(jù)與出煤率之間均可以采用多項式進行擬合，均呈現(xiàn)二次函數(shù)關系。

圖4 循環(huán)出煤率與瓦斯抽采數(shù)據(jù)的關系

根據(jù)掘進過程中實測的原始瓦斯含量數(shù)據(jù)，煤層實測的原始瓦斯含量平均為17 m3/t。結合目標殘余瓦斯含量臨界值11.0 m3/t，可知新景礦3#煤層所需要達到的瓦斯抽采率為35.3%。

從圖5可以看出，瓦斯抽采率隨出煤率的增加而增大，根據(jù)瓦斯抽采達標指標所定的瓦斯抽采率，煤層的出煤率應不低于9.2‰。

圖5 循環(huán)出煤率與瓦斯抽采率的關系

2.2.2 出煤率對殘余瓦斯含量的影響

試驗巷道共進行了19個循環(huán)的水力沖孔瓦斯抽采，在抽采結束后采用井下直接法對煤層的殘余瓦斯含量進行了測定，每個區(qū)域實測的最大殘余瓦斯含量如圖6所示。

圖6 出煤率與殘余瓦斯含量的關系曲線

從圖中可以看出，殘余瓦斯含量與出煤率呈負相關的關系，出煤率越大，殘余瓦斯含量越低，出煤率越小，殘余瓦斯含量越大。結合目標瓦斯含量臨界指標11.0 m3/t，試驗煤層的出煤率應達到10‰。

2.2.3 出煤率對鉆屑瓦斯解吸指標的影響

圖7 出煤率與殘余瓦斯含量的關系

2.2.4 出煤率對巷道掘進過程中風排瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/p>

根據(jù)對多個循環(huán)的風排瓦斯統(tǒng)計結果，不同循環(huán)巷道掘進過程中煤層出煤率與風排瓦斯?jié)舛戎g的關系如圖8所示。從圖中可知，在掘進過程中巷道內的風排瓦斯?jié)舛入S出煤率的增加而不斷減小。根據(jù)礦井斷電瓦斯?jié)舛?.8%的要求，要保證試驗煤層巷道掘進過程中瓦斯?jié)舛炔怀?，其出煤率應不低?.2‰。

圖8 出煤率與風排瓦斯?jié)舛鹊年P系

綜合上述指標值，在滿足生產(chǎn)的同時保留一定的安全余量，確定試驗煤層宜選用10‰作為卸壓消突出煤率的下限。

3 結論

(1) 根據(jù)瓦斯抽采達標指標規(guī)定的瓦斯抽采率(35.3%)，煤層的出煤率應不低于9.2‰；

(2) 在滿足生產(chǎn)的同時保留一定的安全余量，確定試驗煤層宜選用10‰作為卸壓消突出煤率的下限。