程健

摘要：本文針對(duì)礦井 A組煤層開(kāi)展先壓后沖綜合增透技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)常規(guī)水力壓裂打通煤層裂隙，同時(shí)對(duì)煤層進(jìn)行破碎， 壓裂完成后，再選擇部分抽采鉆孔，利用高壓注水泵進(jìn)行高壓沖孔，并對(duì)增透效果進(jìn)行考察，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果，優(yōu)化瓦斯 治理增透方案。

關(guān)鍵詞：瓦斯治理；先壓后沖綜合增透；提高煤層透氣性；縮短預(yù)抽消突時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TD713.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）06-0103-01

1 引言

1.1 水力壓裂機(jī)理

水力壓裂是以水作為動(dòng)力，使煤體裂隙暢通的一種措施。水力

壓裂增透技術(shù)是通過(guò)鉆孔向煤層壓入高壓水，當(dāng)水壓入的速度遠(yuǎn)超 過(guò)煤層的自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力增加，進(jìn)入煤層高壓水的 壓力逐漸上升，當(dāng)高壓水壓裂超過(guò)煤層上方的巖壓時(shí)，煤層內(nèi)原來(lái) 的閉合裂隙就會(huì)被壓開(kāi)形成新的瓦斯流通網(wǎng)絡(luò)，煤層滲透性增加。 當(dāng)壓入的液體被排出時(shí)，壓開(kāi)的裂隙就為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良 好的條件。

1.2 水力沖孔機(jī)理

水力沖孔過(guò)程就是煤體破壞剝落，應(yīng)力狀態(tài)改變，瓦斯大量釋

放的過(guò)程。水力沖孔的實(shí)質(zhì)就是：首先利用高壓水射流破碎煤體在 一定時(shí)間內(nèi)沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤體原 應(yīng)力平衡狀態(tài)，孔洞周?chē)后w向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應(yīng) 力狀態(tài)重新分布，集中應(yīng)力帶前移，有效應(yīng)力降低；其次煤層中新 裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡， 使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過(guò)裂隙運(yùn)移得以 排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤 層瓦斯透氣性顯著提高；最后，高壓水潤(rùn)濕了煤體，煤體的塑性增 加，脆性減小，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。水力沖孔過(guò)程 沖出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、

排放瓦斯區(qū)域，在這個(gè)安全區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，

起到了有效的防治突出效果。

針對(duì)潘二煤礦 A 組煤采區(qū) 12223 工作面瓦斯治理工作量大，周 期長(zhǎng)的問(wèn)題，開(kāi)展先壓后沖綜合增透技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)瓦斯治理效 果、先壓后沖工藝方式、裝備進(jìn)行研究，對(duì)煤礦的安全高效開(kāi)采意 義重大。同時(shí)，對(duì)于類(lèi)似地質(zhì)條件的工作面瓦斯治理具有借鑒意義。

2 12223 工作面先壓后沖綜合增透技術(shù)實(shí)踐

2.1 工作面概況

12223 工作面為潘二礦第二個(gè) A 組煤回采工作面，位于西二采

區(qū)二階段，標(biāo)高：-463m～-571m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng) 1339m，傾向長(zhǎng) 204m，

3 煤平均煤厚4.5m，1 煤平均厚3m，1、3 煤層間距1.5m，煤層平均

傾角為 5°～25°。瓦斯含量為 6.5～8.55m3/t ，綜合瓦斯壓力

1.5～1.84MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù) 3 煤 f 值：0.3～0.6，1 煤 f 值：

0.4～0.6，透氣性系數(shù) 0.23m2/（MPa2·d）。

2.2 水力壓裂半徑考察

2.2.1 水力壓注考察情況

1#壓裂孔從2014年10月20日早班開(kāi)始?jí)鹤?，泵設(shè)定壓力30 Mpa，

開(kāi)泵后約7 分鐘，壓力升至 24Mpa，后保持在20～21Mpa，進(jìn)水量保 持在 6～7m3/h。確定啟裂壓力為 23Mpa。10 月 20 日 18 時(shí) 30 分注 水時(shí)，注水約 50m3 后，壓裂孔以西 34.1m 處原掘進(jìn)期間的一個(gè)控層 孔出水，暫時(shí)停注；10 月21日 19時(shí) 35分，注水達(dá) 98m3 后，壓裂 孔以東 54.1m 處原掘進(jìn)期間的控層孔噴出水煤混合物，暫時(shí)停注。 到 10月23 日，累計(jì)注水200t 后停注，保水2 天。

2.2.2 沿煤走向測(cè)壓考察情況

壓注期間 4 個(gè)走向考察孔壓力分別出現(xiàn)峰值，具體為：1#考察

孔（距壓裂孔平距40m）由壓裂前1.61MPa 升至1.97MPa；2#考察孔 （距壓裂孔平距 30m）由壓裂前1.82MPa 升至2.64MPa；3#考察孔（距 壓裂孔平距20m）由壓裂前1.84MPa 升至2.76MPa；4#考察孔（距壓 裂孔平距 35m）由壓裂前 1.09MPa升至1.58MPa。

2.2.3 沿煤傾向影響半徑考察情況

實(shí)施水力壓裂后，沿走向布置的壓力孔的壓力值普遍上升，距

1 號(hào)壓裂孔平距40m 走向考察孔壓力增加22%。經(jīng)后續(xù)的觀察，保水 卸壓后，瓦斯壓力孔開(kāi)始有水（壓裂前四個(gè)測(cè)壓孔均無(wú)水）且壓力 均降到原始值以下；煤層含水量也普遍上升，距壓裂孔平距 40m 的 傾向考察孔 3 煤含水率最大增加 56%，瓦斯含量普遍降低；與距壓 裂孔54.1m 的原掘進(jìn)控層孔有導(dǎo)通現(xiàn)象。

根據(jù)分析，確定我礦 A 組煤水力壓裂啟裂壓力為 23MPa 左右， 最大影響半徑可達(dá) 56m?？紤]到所布置的傾向考察孔距壓裂孔最大 距離為40m，確定在A 組煤水力壓裂有效影響半徑為40m。

2.3 總體增透方案

水力壓裂按影響半徑 40m 的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作面掘進(jìn)條帶和回采區(qū)

域的壓裂孔進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，其中掘進(jìn)條帶壓裂孔 13個(gè)，回采工作 面壓裂孔 24個(gè)。為進(jìn)一步增透，掘進(jìn)條帶每組鉆孔選擇兩個(gè)孔進(jìn)行 水力沖孔。

為進(jìn)一步比對(duì)壓沖增透的效果，我們?cè)?12223 上底抽巷西四段 劃定了三個(gè)區(qū)，即原始區(qū)、壓裂區(qū)、和壓沖區(qū)，其中原始區(qū)長(zhǎng)112m， 設(shè)計(jì)了126個(gè)鉆孔，壓裂區(qū)長(zhǎng)96m，設(shè)計(jì)了99個(gè)鉆孔，壓沖區(qū)長(zhǎng)56m， 設(shè)計(jì)了54 個(gè)鉆孔。

2.4 壓裂增透

2.4.1 壓裂孔施工

水力壓裂孔采用一次固孔、二次注漿、三次見(jiàn)煤封孔工藝。 2.4.2 水力壓裂

設(shè)備選型為南京六合煤礦機(jī)械公司生產(chǎn)的 BZW-200/56 型乳化

泵，額定壓力 56MPa，額定流量 200L/min。除注水泵外，系統(tǒng)由壓 力表、卸壓閥、高壓膠管及相關(guān)裝置連接接頭等組成2.5 沖孔增透。

2.5.1 沖孔方案

在壓沖區(qū)，每組鉆孔對(duì)應(yīng)掘進(jìn)巷道中央及兩側(cè)交錯(cuò)選擇 2 個(gè)鉆

孔進(jìn)行水力沖孔。要求每個(gè)單孔從施工到?jīng)_孔結(jié)束時(shí)間為兩個(gè)小班， 且沖出煤量不低于5t。

2.5.2 沖孔設(shè)備

沖孔設(shè)備利用壓裂泵（BZW-200/56 型乳化泵），沖孔時(shí)泵壓力

設(shè)定為14Mpa。

2.5.3 沖孔工具

特制沖孔鉆頭。

抽 223 能按期投產(chǎn)。上鉆芽，以利于鉆進(jìn)。在鉆頭體前端制成錐體，

同時(shí)鑲上鉆芽，以利于鉆進(jìn)。在鉆頭側(cè)面鉆6 個(gè)Φ10mm沖孔眼，平 均布置于鉆體，且與鉆頭軸線成45°角，以此降低射流水量，提高 射流水壓。

2.5.4 沖孔過(guò)程

沖孔鉆孔穿煤后，退出鉆桿，將鉆頭更換為特制沖孔鉆頭，配

合φ73mm 肋骨鉆桿，重新下到見(jiàn)煤段開(kāi)泵沖孔，泵站壓力設(shè)定在 14MPa 左右，鉆機(jī)保持勻速鉆進(jìn)，以便排出煤屑。從見(jiàn)煤點(diǎn)開(kāi)始， 每 2 米一個(gè)點(diǎn)分段沖孔直至止煤點(diǎn)，循環(huán)進(jìn)退鉆桿沖孔，直至沖不 出煤屑為止。沖孔結(jié)束后，撤鉆時(shí)鉆桿必須保持旋轉(zhuǎn)，防止堵孔夾 鉆。

3 增透后抽采效果

在原始區(qū)、壓力區(qū)、壓沖區(qū)分別安設(shè)抽采計(jì)量裝置，測(cè)定每個(gè)

區(qū)段、單組、單孔抽采濃度、抽采量，比對(duì)出消突評(píng)價(jià)單元在采用 壓裂、壓沖增透措施后提高消突效果的程度。再通過(guò)單組、單孔考 察，壓裂區(qū)最高單孔濃度達(dá) 94%，最大單孔純量達(dá) 0.026m3/min，平 均單孔純量 0.01m3/min；壓沖區(qū)最高單孔濃度達(dá) 96%，最大單孔純 量達(dá)0.038m3/min，平均單孔純量0.016m3/min。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)據(jù)綜合分析，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間按煤巷條帶預(yù)抽率35%計(jì)算，

原始區(qū)預(yù)抽達(dá)標(biāo)需 44 天，壓裂后預(yù)抽達(dá)標(biāo)需 30 天，壓沖后預(yù)抽達(dá) 標(biāo)需22 天。

通過(guò)對(duì)比可以明顯看出，采取先壓沖孔增透技術(shù)后，與原始區(qū) 比，百孔純量提高了2.1 倍，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了 50%。

我們將在 12223 上底抽巷及疏水巷針對(duì)掘進(jìn)條帶繼續(xù)開(kāi)展壓沖 增透技術(shù)，確保掘進(jìn)期間不再重復(fù)上消突措施，最終達(dá)到月進(jìn)尺200m 以上的目標(biāo)；在工作面回采區(qū)域針對(duì) 1、3 煤進(jìn)行壓沖增透，進(jìn)一步 提高回采工作面消突預(yù)抽效果。