薛志興

(山西潞安礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司王莊煤礦，山西省長治市，046031)

目前，對于高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽放效果往往不理想。煤層透氣性低嚴(yán)重影響了瓦斯抽采效果，增加了瓦斯抽采難度。當(dāng)前，大多數(shù)礦井通過采取延長抽采時間、縮小鉆孔間距等措施提高煤層瓦斯抽采效果，這些措施很難從根本上解決低透氣性煤層帶來的瓦斯抽采困難的問題，提高煤層透氣性成為了煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵。為了提高煤層瓦斯抽采效果，需要采取有效的卸壓增透抽采措施，現(xiàn)階段主要采取集壓裂和驅(qū)替為一體的高壓脈動水力卸壓增透技術(shù)。通過這一新型技術(shù)，最大限度地使水滲入到不同裂隙、孔隙，增加煤體的濕潤性，有效改變煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，擴大煤體的原有裂隙，提高煤層透氣性，達(dá)到在低透氣性煤體提高瓦斯抽采效果及防治煤與瓦斯突出的作用，為高瓦斯低透氣性煤層瓦斯治理奠定良好的基礎(chǔ)。

1 煤層脈動水力卸壓增透技術(shù)原理

煤層脈動水力卸壓增透技術(shù)是將一定頻率的脈動水持續(xù)注入鉆孔中，煤體原生裂隙在強烈的脈動水壓力作用下，會在縫隙末端產(chǎn)生交變應(yīng)力，使煤體的裂隙孔隙產(chǎn)生“壓縮-膨脹-壓縮”反復(fù)作用，煤體將產(chǎn)生疲勞損傷破壞，煤體內(nèi)部裂隙弱面擴展、延伸，形成相互交織的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)。正是由于這種裂隙擴展連通，致使煤層透氣性大大提高，顯著提高了煤層瓦斯抽采效果。煤層脈動注水可使注水孔周圍煤體孔隙、裂隙擴展，滲透率增大，煤體內(nèi)部游離瓦斯更易提前排出，起到卸壓和排放瓦斯的作用。林柏泉等提出高壓脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)，采用理論分析和現(xiàn)場試驗的方法，得出了脈動卸壓壓力為24 MPa、頻率為20 Hz時，卸壓增透效果最好。

王莊煤礦屬高瓦斯礦井，開采的3#煤層瓦斯吸附能力強，屬低透氣性難抽采煤層，吸附常數(shù)a為35.429，吸附常數(shù)b為0.806，百米鉆孔初始涌出量為0.089 m3/min，百米鉆孔流量衰減系數(shù)為0.0169 d-1，煤層透氣性系數(shù)為0.169～0.734 m2/(MPa2·d)。抽采方式主要采取采前預(yù)抽、邁步鉆場掘進預(yù)抽、正頭預(yù)抽、相鄰巷道區(qū)域預(yù)抽、裂隙帶抽采、高抽巷及采空區(qū)埋管抽采相結(jié)合的抽采模式，現(xiàn)540膠帶運輸大巷采取相鄰巷道區(qū)域預(yù)抽抽采方式實現(xiàn)區(qū)域瓦斯治理。初期施工130個鉆孔并網(wǎng)帶抽后，無法測出混合流量，抽采效果不好，說明該區(qū)域透氣性系數(shù)太低，不適合直接抽采，因此需要采取增透措施提高煤層的透氣性，再進行預(yù)抽。所以將本次試驗地點定在此巷道，希望能夠通過此試驗來增加本巷道的煤層透氣性，探索適合于本煤層的卸壓増透技術(shù)。

2 現(xiàn)場工業(yè)試驗

2.1 試驗地點概況

本次試驗選擇在540膠帶運輸大巷進行，所采煤層屬3#煤層，位于81采區(qū)。540膠帶運輸大巷東、西、南部都為實體煤，北部接540膠帶大巷。地面標(biāo)高929～934 m，工作面標(biāo)高416～450 m。3#煤層賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩(wěn)定，煤層平均厚度為6.3 m，全煤含夾矸5層，總厚度為0.6 m，其中上分層所含夾矸局部有變厚現(xiàn)象，夾矸最大厚度可達(dá)0.4 m。540膠帶運輸大巷開口處可解析瓦斯含量為3.42 m3/t，殘存瓦斯含量為2.36 m3/t。對煤層瓦斯含量分布規(guī)律研究分析結(jié)果表明，3#煤層瓦斯含量增長梯度為2.09 m3/(t·hm)，即煤層埋藏深度每增加100 m，煤層瓦斯含量增加2.09 m3/t。結(jié)合煤層底板等高線，由此可以得出540膠帶運輸大巷瓦斯含量在6.0～8.0 m3/t。

目前，540膠帶運輸大巷共施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔511個，抽采負(fù)壓21 kPa，混合流量34.61 m3/min,瓦斯?jié)舛?0.8%，純瓦斯流量3.74 m3/min。

2.2 鉆孔設(shè)計

根據(jù)巷道實際情況，在540膠帶運輸大巷同一側(cè)設(shè)計施工間隔20 m的兩組鉆孔，進行對比試驗，506#～510#鉆孔為試驗組，496#～500#鉆孔為對比組，在試驗組中選取507#、509#鉆孔進行脈動卸壓，對比組中鉆孔未進行脈動卸壓，鉆孔間距為3 m，具體脈動卸壓孔布置如圖1。

2.3 鉆孔封孔

鉆孔施工使用ZDY-4000S型全液壓鉆機，位置選在頂板、煤幫完整性較好，無表面破碎帶，周圍無裂隙構(gòu)造發(fā)育的地方，采用?120 mm的鉆頭，垂直巷幫施工，鉆孔脈動卸壓孔與抽采鉆孔參數(shù)見表1。

圖1 脈動卸壓孔布置示意圖

試驗使用膠囊加套管的封孔方法。該試驗封孔方式采用“套管-膠囊”封孔器組合式的方式，如圖2所示。該方式是先將一個內(nèi)徑60 mm的PVC套管加載到鉆孔的內(nèi)部，然后再將一個內(nèi)徑48 mm的膠囊封孔器通過一定的方式鑲嵌在PVC套管中指定的位置，最后通過對該膠囊進行手動式加壓，使該膠囊不斷膨大最后與PVC套管緊密地貼在一起，從而達(dá)到封孔的目的。

2.4 水力卸壓系統(tǒng)

井下水力卸壓系統(tǒng)主要由脈動注水泵、水箱、壓力表、高壓管、封孔器、溢流閥等組成，如圖3所示。水源取自井下消防灑水系統(tǒng)，從540膠帶運輸大巷靜壓水管三通閥門處接高壓水管至移動儲水箱內(nèi)，然后通過脈動注水泵、溢流閥，加壓向鉆孔注水。

圖2 脈動卸壓封孔示意圖

圖3 脈動卸壓設(shè)備連接示意圖

2.5 現(xiàn)場卸壓

根據(jù)前面所述，本次現(xiàn)場實施脈動卸壓孔為507#鉆孔、509#鉆孔，9月25日8點班對其進行了脈動水力卸壓，在卸壓過程中，記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，卸壓過程如下：

(1)膠囊封孔器加壓。對高壓膠囊進行手動式加壓，使其不斷膨大，當(dāng)連接壓力表升至10 MPa時，待該壓力穩(wěn)定后再停止手動式加壓，完成膠囊注水作業(yè)。

(2)脈動水力卸壓。開啟脈動注水泵，脈動頻率設(shè)定為20 Hz，起始壓力初步設(shè)定在1～3 MPa范圍內(nèi)，之后再逐漸增大注水壓力，并且保持壓力增大的頻率為0.2～0.3 MPa/min的范圍內(nèi)。通過調(diào)壓閥控制水壓達(dá)到24 MPa，當(dāng)達(dá)到一定壓力值時，壓力不隨時間增加而增加，會穩(wěn)定一定時間，這是裂隙穩(wěn)定擴展階段，這個過程持續(xù)時間與卸壓距離、泵流量有關(guān)。

(3)結(jié)束壓裂。通過觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有水從鄰近抽采鉆孔中流出時，或者發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)的水壓力長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，不再發(fā)生大幅度的變化時，結(jié)束整個卸壓試驗。

(4)并網(wǎng)抽采。壓裂試驗結(jié)束后，通過調(diào)壓閥緩慢降低注水壓力，直至壓力為0，關(guān)閉注水泵。然后將封孔器囊袋壓力緩慢降低，直至為0，將PVC套管中的膠囊的壓力降下來并且從套管中取出，讓水從鉆孔中自然地排出，最后將PVC和瓦斯抽采管連接起來，對卸壓孔進行瓦斯抽采，與此同時，將其余8個鉆孔進行并網(wǎng)抽采，連續(xù)考察鉆孔瓦斯?jié)舛?5 d，進行對比分析。

3 效果分析

為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實施脈卸壓動試驗之前先對兩組試驗鉆孔在負(fù)壓為21 kPa的情況下進行預(yù)抽，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在試驗前一天9月24日對兩組試驗鉆孔的瓦斯抽采濃度進行觀測記錄?，F(xiàn)場卸壓試驗后，在保持卸壓孔抽采負(fù)壓不變的情況下，自9月25日卸壓試驗后對兩組試驗鉆孔的瓦斯抽采濃度進行為期15 d的連續(xù)觀測記錄，見表2、表3。

在負(fù)壓一定、鉆孔無漏氣等條件下，由表2、表3可以看出，對507#、509#鉆孔實施卸壓試驗后，506#～510#孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓^大，而未做卸壓試驗的496#～500#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葞缀鯚o任何變化。從現(xiàn)場試驗的抽采效果來看，507#、509#孔瓦斯抽采濃度分別由12.4%和14.2%下降到2.4%和5.0%，下降量最大，15 d后瓦斯?jié)舛扔兴嵘Ⅱ?qū)于穩(wěn)定，說明在卸壓后該孔瓦斯驅(qū)趕效果明顯，由于有水的原因，導(dǎo)致抽采效果暫時有所下降。通過實施水力卸壓，卸壓周圍鉆孔瓦斯抽采濃度都有所提高，相比未實施卸壓的鉆孔，抽采效果明顯提高。

表2 496#～500#鉆孔試驗前后瓦斯抽采濃度值 %

表3 506#～510#鉆孔試驗前后孔瓦斯抽采濃度值 %

4 結(jié)論

通過試驗表明，在實施鉆孔卸壓后，周圍孔瓦斯抽采濃度變化范圍較大，驗證了此次注水對鉆孔附近煤層瓦斯驅(qū)趕作用明顯。并且從目前抽采濃度值考慮，基本上所有周圍鉆孔的抽采濃度都有明顯的提高，進一步驗證卸壓鉆孔注水對周圍鉆孔抽采效率的提高作用明顯。

由此可見，脈動水力卸壓提高瓦斯抽采率效果明顯，卸壓孔周圍孔附近瓦斯抽采效率明顯提高，形成了適合該礦工作面煤層脈動水力卸壓提高抽采效果的技術(shù)工藝和方法，有效加強了現(xiàn)場工作面瓦斯治理效果。該試驗研究成功后，可以提高瓦斯抽采率，預(yù)防煤與瓦斯突出危害，提高生產(chǎn)安全性能，為礦井的高產(chǎn)高效建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。同時可改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，利于巷道穩(wěn)定，對巷道的暢通、安全也具有非常重要的意義。