徐夢(mèng)雅，趙 凱

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

煤炭作為我國(guó)的主要能源，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中有著重要的位置。我國(guó)煤層普遍具有煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力高和滲透性低的特點(diǎn)，存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、人員生命和設(shè)施安全造成了嚴(yán)重威脅。在我國(guó)所有煤炭?jī)?chǔ)量中，厚煤層占比達(dá)到44%左右，厚煤層產(chǎn)煤率可達(dá)45%左右[1]。綜采放頂煤以其產(chǎn)量高、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前厚煤層開采中的主要采煤方法。但隨著開采深度、瓦斯含量、壓力等指標(biāo)的增加，大大增加了井下事故發(fā)生的概率。因此，高瓦斯綜放工作面瓦斯治理技術(shù)已成為我國(guó)煤礦亟待解決的難題。工程實(shí)踐表明，工作面推進(jìn)過程中會(huì)引起煤層和巖石的移動(dòng)或破壞，導(dǎo)致地應(yīng)力釋放，所產(chǎn)生的裂縫會(huì)增加煤層的滲透率，促進(jìn)瓦斯流動(dòng)，引起工作面瓦斯集聚，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重安全事故[2]。因此，開展低滲煤層工作面瓦斯治理技術(shù)研究及其在安全開采中的應(yīng)用顯得尤為重要。

1 應(yīng)力和滲透性的基本理論分析

1.1 巖層的變形和滲透性

煤是一種天然裂縫性儲(chǔ)層，其滲透率受割理的流體傳導(dǎo)性和其他結(jié)構(gòu)流體傳導(dǎo)性控制。研究表明，煤的滲透率對(duì)有效應(yīng)力非常敏感，會(huì)隨著有效應(yīng)力的釋放而增加。煤層開采后，頂板周圍的應(yīng)力平衡將被破壞并進(jìn)行重新分布，導(dǎo)致上覆巖層變形、破壞和移動(dòng)。為有效控制頂板，諸多學(xué)者對(duì)開采煤層的上覆巖層進(jìn)行了研究，如中國(guó)工程院提出了砌體梁模型和關(guān)鍵層理論[3]。而煤層頂板一般可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[4]。

煤層裂隙是在煤巖分層中發(fā)育的一個(gè)原始斷裂系統(tǒng)，呈正交狀態(tài)或2組交叉。裂隙的主要特性包括長(zhǎng)距離延伸和滲透性，且在斷裂面中存在間歇性延伸或終止，原始裂隙系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 原始裂隙系統(tǒng)Fig.1 Primitive fissure system

裂隙是煤層滲透率的主要表現(xiàn)形式，也是抗拉強(qiáng)度的力學(xué)分界面。當(dāng)受到水力裂縫作用時(shí)，會(huì)優(yōu)先出現(xiàn)煤層損傷，形成一個(gè)沿原始裂縫方向的滲透并發(fā)展成裂縫系統(tǒng)。而原始構(gòu)造裂縫是指僅出現(xiàn)在煤層中且不會(huì)損壞頂板和底板的小型構(gòu)造裂縫，通常為拉伸裂縫或充滿煤粉的滑動(dòng)平面，垂直位移通常不明顯[5]。裂隙是在構(gòu)造變形過程中形成的，可以是一組或多組，其方向主要由地質(zhì)構(gòu)造控制。

煤層垮落帶是由大小不一的巖石塊堆積在采空區(qū)中形成的，具有相對(duì)較高的滲透性。隨著工作面的推進(jìn)，垮落帶由于上覆地層的塌陷而逐漸被壓實(shí)，但達(dá)不到原始體積大小，存在大量的連通裂縫[6]。根據(jù)裂縫的連通性，垮落帶可分為貫通裂縫帶（滲透率較好）和非貫通裂縫帶（滲透率相對(duì)較差）。因此，為了進(jìn)行瓦斯的高效抽采，應(yīng)在貫通裂縫帶鉆孔。

1.2 煤層應(yīng)力再分布及滲透性

隨著工作面的推進(jìn)，工作面前部的應(yīng)力變化會(huì)重新分布，引起巖體的各種變形。上覆巖層所受的重力由液壓支柱進(jìn)行支撐，而在采空區(qū)頂部上方應(yīng)力會(huì)降低，工作面周圍的應(yīng)力則會(huì)增加。工作面周圍應(yīng)力重新分布會(huì)導(dǎo)致煤巖被拉伸或壓縮，從而發(fā)生變形和破裂。根據(jù)高位鉆孔坡面分布情況（圖2），工作面附近區(qū)域可劃分為5個(gè)區(qū)域：原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)[7]。對(duì)于原始煤層而言，煤巖體中存在豐富的原生裂縫，且煤巖體中的滲透率和流體流動(dòng)模式對(duì)應(yīng)力大小非常敏感。

圖2 高位煤層鉆孔剖面Fig.2 Drilling section of high coal seam

隨著應(yīng)力的增加，裂縫會(huì)縮小，而當(dāng)應(yīng)力減小時(shí)，裂縫會(huì)擴(kuò)大。從圖2可以看出，在開采過程中，工作面煤層應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)明顯的集中和釋放過程，靠近工作面的煤壁上的應(yīng)力較小，但在煤層內(nèi)部應(yīng)力很高[8]。在支承應(yīng)力重新分布和演變的作用下，工作面前部煤巖發(fā)生了壓縮和膨脹過程，應(yīng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層裂縫的形成和發(fā)展。另一方面，當(dāng)煤以各向異性方式斷裂時(shí)，會(huì)在煤中形成次生裂縫。煤巖的局部應(yīng)力場(chǎng)、非均質(zhì)性和裂縫界面共同決定了裂縫的擴(kuò)展、偏轉(zhuǎn)，從而決定了其滲透率的大小。

1.3 裂隙帶瓦斯聚集特征

隨著工作面的推進(jìn)，本煤層及鄰近層的瓦斯將在裂隙帶內(nèi)聚集。對(duì)于彎曲下沉帶，由于形成了大量的橫向裂隙，其穿透性也明顯增加，來自鄰近煤層的瓦斯會(huì)沿著裂隙通道轉(zhuǎn)移到本煤層中[9]。此外，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙帶和彎曲下沉帶會(huì)不斷變化。特別是采用U型通風(fēng)系統(tǒng)的工作面，在風(fēng)流壓力下，采空區(qū)的瓦斯往往會(huì)集中在工作面上隅角區(qū)域，引起上隅角瓦斯超限。因此，加強(qiáng)對(duì)工作面上隅角瓦斯的治理十分重要。

2 瓦斯治理技術(shù)

2.1 工程概況

以某礦5號(hào)煤層為工程背景，煤層厚5.8～13.0 m，為可開采的主要煤層之一。5號(hào)煤層為單斜構(gòu)造，平均傾角約12°，受構(gòu)造應(yīng)力作用，煤層松軟、易碎裂[10]。5號(hào)煤層的51109工作面采用綜采放頂煤采煤法，通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。煤層頂?shù)装鍘r性如圖3所示。

圖3 煤層巖性結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of the lithological structure of the coal seam

2.2 水力壓裂技術(shù)

（1）壓裂設(shè)備。水力壓裂采用以下裝備及材料：BYW315/55 型泵組、壓裂封孔管、高壓膠管、高壓閥門、高精度光學(xué)瓦檢儀、鉆機(jī)、壓裂鉆孔封孔水泥、注漿管、抽放管路、孔板流量計(jì)、壓差計(jì)、礦用電纜 （ 泵組315 kW）、瓦斯抽采管等[11]。

（2）水力壓裂鉆孔布設(shè)。根據(jù)煤層地質(zhì)情況及51109工作面實(shí)際生產(chǎn)情況，選定位于終采線120 m處為研究區(qū)域。水力壓裂試驗(yàn)鉆孔的壓裂半徑設(shè)計(jì)為15、20 m。水力壓裂孔設(shè)在51109工作面回風(fēng)巷道內(nèi)，孔徑為89 mm，深度為180 m。在第1組壓裂試驗(yàn)中，沿工作面51109的回風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置15 m的壓裂半徑，建造3個(gè)斷裂孔（壓1號(hào)—壓3號(hào)）；在第2組壓裂試驗(yàn)中，沿51109工作面回風(fēng)巷道按20 m的壓裂半徑設(shè)置3個(gè)壓裂孔（壓4號(hào)—壓6號(hào)）。為了研究壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)在該壓裂過程中的有效性，第1組壓裂試驗(yàn)在距離水力壓裂孔兩側(cè)15 m的位置，分別布設(shè)4個(gè)輔助孔（輔1號(hào)—輔4號(hào)）；在第2組斷裂試驗(yàn)中，在距離壓裂孔兩側(cè)20 m處分別布設(shè)4個(gè)輔助孔（輔5號(hào)—輔8號(hào)）。51109工作面壓裂孔及輔助孔布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂鉆孔布置Fig.4 Hydraulic fracturing drilling layout

2.3 水力壓裂瓦斯治理技術(shù)

煤層鉆孔完成水力壓裂，在掘進(jìn)工作面或采煤工作面前方鉆孔，將1個(gè)或多個(gè)水力壓裂裝置送入鉆孔，用封孔器封孔后，從水力噴射閥噴出高壓水，使煤層破裂；然后退出壓裂管，封閉鉆孔、泵送或直接挖掘。水力壓裂施工中的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：①根據(jù)煤的力學(xué)特性優(yōu)化水力壓裂壓力（隨著煤強(qiáng)度的增加，水力壓裂壓力會(huì)增加）；②選擇煤體結(jié)構(gòu)良好的分層鉆進(jìn)，避免分層平順、塌孔堵塞；③壓裂鉆孔的軌跡應(yīng)平直，孔壁應(yīng)光滑，孔內(nèi)應(yīng)清潔少煤粉，以保證壓裂裝置的順利投料和拆除；④在壓裂裝置啟動(dòng)和排放過程中，應(yīng)對(duì)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的氣體濃度進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)，以確保施工人員的安全；⑤裂縫鉆探深度設(shè)計(jì)為60～100 m，根據(jù)裂縫區(qū)天然氣地質(zhì)條件和裂縫應(yīng)用目的進(jìn)行優(yōu)化；⑥裂隙后的引流和封堵非常重要，密封段應(yīng)盡量避開裂縫段，以保證密封質(zhì)量，提高抽采氣體的濃度和流量。

水力作用裂縫下的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。水力壓縮時(shí)，破裂炸藥前部高壓沖擊范圍不形成穿孔地層，只形成一個(gè)大的裂縫陷阱。因此，水力裂壓的特征主要是生長(zhǎng)裂縫和大型裂縫的圈閉，這是控制的關(guān)鍵因素之一，提高煤層低滲透氣體綜合管理效率。

2.4 瓦斯排放規(guī)律及其組成

通過對(duì)瓦斯氣體排放現(xiàn)象的大量觀察和統(tǒng)計(jì)，得出：5號(hào)煤層的瓦斯氣體排放具有以下顯著特征：①采煤機(jī)頂角和尾部排放的瓦斯量和濃度較高，瓦斯氣體濃度可高至2%左右。更重要的是，這一區(qū)域可能成為瓦斯氣體排放管理的盲區(qū)。②工作面的瓦斯氣體排放量和濃度呈周期性規(guī)律。受頂層塌落影響，剩余煤釋放大量瓦斯氣體，在短時(shí)間內(nèi)排放到工作面，導(dǎo)致瓦斯氣體超標(biāo)，報(bào)警信息持續(xù)提醒3～4 h。更嚴(yán)重的是，可能導(dǎo)致工作人員窒息。瓦斯分布情況如圖5所示。可以看出，采空區(qū)瓦斯氣體排放對(duì)工作面瓦斯氣體積累造成了嚴(yán)重的威脅。因此，采煤區(qū)瓦斯氣體釋放和應(yīng)力的有效控制，對(duì)于工作面排放瓦斯氣體的管控至關(guān)重要。

圖5 瓦斯分布情況示意Fig.5 Gas distribution diagram

2.5 瓦斯控制技術(shù)方案

根據(jù)礦壓應(yīng)力和裂縫的分布規(guī)律，選擇三維抽采技術(shù)方法對(duì)工作面進(jìn)行綜合控制。該抽采方法包括長(zhǎng)鉆孔、斜交叉鉆孔和上隅角柔性抽采管道，并結(jié)合水力壓裂。在山西某礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件模擬，充分考慮到爆破的防火措施，在垂直方向上，鉆孔分別放置在塌陷區(qū)和斷裂區(qū)的交匯點(diǎn)；在水平方向上，鉆孔設(shè)置在回風(fēng)巷道約15 m處，長(zhǎng)鉆孔的分布如圖6所示。斜交叉鉆孔主要用于煤體排放瓦斯時(shí)的預(yù)抽采，同時(shí)用于排瓦斯。沿煤礦工作面方向，按一定間距、連續(xù)布置多個(gè)壓裂孔，不同鉆孔的裂縫釋放層的邊界相互重疊。

斜交叉鉆孔設(shè)置在煤壁方向，水平方向30°～35°，仰角15°～20°。這些排放瓦斯的鉆孔的長(zhǎng)約50 m，孔的末端將鉆進(jìn)到5號(hào)煤層的頂部約5 m處。為了減少上隅角瓦斯積聚，同時(shí)減少長(zhǎng)鉆孔排放瓦斯的負(fù)擔(dān)，將幾根柔軟的瓦斯排放管插入采空區(qū)上部區(qū)域，如圖7所示。

3 工程應(yīng)用

3.1 鉆孔和抽采系統(tǒng)的施工

在5號(hào)煤層頂部，采用VLD1000鉆孔系統(tǒng)鉆進(jìn)長(zhǎng)鉆孔，方向?yàn)楣ぷ髅媲斑M(jìn)方向且平行于回風(fēng)路。

圖6 三維壓裂裂縫方向示意Fig.6 Schematic diagram of 3D fracturing fracture direction

圖7 采空區(qū)抽放管技術(shù)治理瓦斯Fig.7 Gas control by technology of drainage pipe in goaf

由于研究區(qū)地質(zhì)的影響，1號(hào)孔深度約648 m，2號(hào)孔深度約585 m，直徑為96 mm。與設(shè)計(jì)的孔洞軌跡相比，1號(hào)孔洞的水平偏差范圍為0.10～0.50 m，垂直偏差范圍為0.30～4.50 m；2號(hào)孔的水平偏差范圍為0.50～2.50 m，垂直偏差范圍為0.30～1.00 m。同時(shí)，分支孔在水平方向的偏差范圍為1.00 m左右，在垂直方向約為0.50 m。水力壓裂鉆孔按圖6施工，鉆孔末端將鉆入5號(hào)煤層頂部約5 m處，所有鉆孔均采用聚氨酯材料堵塞。

3.2 頂板損傷分析

為了防止水力壓裂技術(shù)對(duì)工作面頂板的破壞，確保工作面整體結(jié)構(gòu)的完整性，在應(yīng)用水力壓裂技術(shù)之前，應(yīng)分析水力壓裂對(duì)頂板的損傷情況。首先，在煤層中央預(yù)制長(zhǎng)度為10 m、縫高為 0.2 m 的水壓裂縫（圖8）；然后，在裂縫上下2個(gè)面上施加 20 MPa的壓應(yīng)力，模擬水力壓裂過程以及泵壓通過水對(duì)裂縫面作用的情況。

圖8 水壓裂縫模擬布置方式Fig.8 Simulation layout of hydraulic fractures

模擬煤層厚度H分別為1、2、3、4、5 m，20 MPa注水壓力下水力壓裂過程中煤層頂板的損傷情況（圖9）。在注水壓力及地應(yīng)力狀態(tài)一定的條件下，隨著高壓水不斷注入，水力壓裂區(qū)域頂板在受壓應(yīng)力作用下，開始發(fā)生變形。隨著煤層厚度的增加，高壓水作用于煤層頂板的面積逐漸減小；壓裂區(qū)域邊緣處為水壓裂集中區(qū)域，煤層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，并且隨煤層厚度增加，拉應(yīng)力逐漸減小，未達(dá)到煤層頂板的斷裂的極限，符合工程要求。

圖9 不同厚度煤層頂板損傷情況Fig.9 Roof damage of coal seam with different thickness

3.3 瓦斯抽采效果及分析

在本技術(shù)實(shí)施前，采用上隅角瓦斯派抽采法和沿煤層水平平行鉆進(jìn)瓦斯鉆孔。由于煤層的滲透性較低，瓦斯抽采只能達(dá)到30%左右。在煤礦開采過程中，瓦斯排放明顯加強(qiáng)。

工作面局部瓦斯?jié)舛茸罡呖蛇_(dá)2%左右，嚴(yán)重影響煤礦安全開采。三維瓦斯抽放技術(shù)先后在山西某煤礦區(qū)51109、51105工作面應(yīng)用，相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 瓦斯抽放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Gas drainage monitoring data curve

與以往抽放技術(shù)對(duì)比，51109工作面總瓦斯抽采率由30%左右顯著提高至67.33%，51105工作面提升為76.44%?？梢钥闯?，在51109工作面和51105工作面的瓦斯抽采管理中，長(zhǎng)鉆孔、斜交叉鉆孔抽放瓦斯的有效率為63.36%和72.69%。瓦斯抽放泵站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，瓦斯凈抽采量約為4.20 m3/min，瓦斯抽放濃度維持在10%左右。該瓦斯抽放技術(shù)使巷道中的瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.0%大幅降低至0.3%左右（波動(dòng)范圍為0.2%～0.4%），保障了井下煤礦的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語

煤礦開采需要有效的技術(shù)方法來控制瓦斯排放，以確保煤礦能夠安全生產(chǎn)。根據(jù)山西某煤層地質(zhì)條件，結(jié)合開采裂縫發(fā)育和抽采瓦斯移動(dòng)規(guī)律，提出了長(zhǎng)鉆孔、斜交叉鉆孔和上隅角柔性抽采管道的綜合瓦斯抽采新方法，并在井下進(jìn)行了工程實(shí)踐。與以往瓦斯抽采相比，總瓦斯抽采率由30%顯著提高至67.33%（51109工作面）和76.44%（51105工作面）。工作面通風(fēng)空氣瓦斯?jié)舛却蠓陆担陆抵?.3%左右，保障了井下煤礦安全生產(chǎn)，為煤礦企業(yè)瓦斯的治理提供了依據(jù)。