李 磊

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.國家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

煤層透氣性是衡量煤層可抽性的重要依據(jù)，也是影響瓦斯抽采效果的重要指標(biāo)。增加煤層透氣性進(jìn)行高效抽采是松軟低透煤層防突的重要手段，目前常用的水力化增透措施主要有水力沖孔、煤層注水、水力壓裂、水力割縫、水力擴(kuò)孔等。對于采用水力沖孔進(jìn)行增透作業(yè)的豫西典型低透氣性“三軟”煤層的告成煤礦，增透孔洞的瓦斯積聚及對煤層頂、底板構(gòu)造的劣化影響也是增透措施選擇的重要因素。為解決目前水力沖孔工效低、增透后衰減快及安全問題，2017 年在告成煤礦25011下副巷掘進(jìn)條帶區(qū)域進(jìn)行了水力沖孔、水力壓裂、水力擴(kuò)孔增透應(yīng)用試驗。

1 水力化增透措施基本機(jī)理

煤層水力壓裂以大于煤層濾失速率的注入量和破裂壓力的壓力，將水沿煤層結(jié)構(gòu)弱面或原生裂隙注入，利用煤體的非均質(zhì)性和各向異性，在水壓力和地層溫度的聯(lián)合作用下， 煤體原始地應(yīng)力平衡被破壞，煤體不僅會發(fā)生彈性應(yīng)變而且會使煤層產(chǎn)生抗拉破壞或剪切破壞，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生、原生裂隙擴(kuò)大、裂隙導(dǎo)通。同時由于煤層透氣性增加，煤層瓦斯?jié)B流表面積增加、煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流向徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)閿M徑向流，瓦斯解析速度、運(yùn)移速度增加，提高煤層瓦斯抽放效率。

水力擴(kuò)孔是用分割器產(chǎn)生高壓水射流的旋轉(zhuǎn)對鉆孔周圍煤體進(jìn)行切割，在鉆孔周圍形成一定深度的扁平縫槽，同時利用射流水的回流作用將切割下來的煤屑排出孔外。高壓水射流縫形成較深的卸壓、排瓦斯鉆孔槽，能使煤層的原始應(yīng)力重新分布，采用高壓水割縫措施后，圓盤狀槽縫增加了煤體內(nèi)的暴露面積，在射流作用半徑內(nèi)起到了保護(hù)層作用。松軟煤層強(qiáng)度低，在高頻脈沖擴(kuò)孔高壓水流作用下，高壓水射流半徑內(nèi)的上部煤體在自重作用及地應(yīng)力作用下周期性塌滑、位移，煤體顆粒經(jīng)歷位移重組的過程，三軸應(yīng)力失衡后的煤體間隙增大；射流半徑內(nèi)的上部煤體在塌滑、位移過程中對比鄰煤體產(chǎn)生剪切、彎拉破壞，有利于比鄰煤體孔隙率的提高。

2 綜合水力化措施實施

2.1 應(yīng)用地點概況

綜合水力化措施應(yīng)用地點為鄭煤集團(tuán)告成煤礦25011下副巷掘進(jìn)區(qū)域條帶。告成煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，25011下副巷沿突出煤層二1布置，工作面所在區(qū)域煤層傾角為2°～12°，平均傾角8°；煤層厚度0.2～8.4 m，平均厚度4.5 m。瓦斯含量為3.56～10.94 m3/t。煤層呈粉狀、鱗片狀，組織疏松，高分散相、高吸附性、低強(qiáng)度、易碎、低透氣性。直接頂主要為泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖。屬典型的豫西“三軟”煤層。底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是告成煤礦區(qū)域防突措施，采用水力沖孔作為主要增透措施，水力沖孔以靜壓力為動力，壓力6 MPa左右，按區(qū)域措施控制煤量的2.5%～3.0%控制沖孔煤量，單孔沖孔施工時間為5.5～7.0 h。

2.2 水力化增透方案及鉆孔布置

根據(jù)煤層瓦斯含量的不同，將25011下副巷劃分為8個塊段，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ塊段為瓦斯含量小于10 m3/t塊段，底板巷穿層鉆孔控制巷輪廓線外各15 m范圍，采用水力壓裂增透；Ⅱ、Ⅵ塊段瓦斯含量大于等于10 m3/t，Ⅳ、Ⅷ塊段為地質(zhì)構(gòu)造帶，底板巷穿層鉆孔控制范圍均為巷道輪廓線外各30 m，如圖1所示。Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅷ塊段采用水力壓裂、水力擴(kuò)孔綜合增透措施。

圖1 工程區(qū)域網(wǎng)格劃分

以25011下副巷輪廓線內(nèi)為目標(biāo)，沿煤層賦存穩(wěn)定區(qū)域(斷層影響區(qū)以外40 m)每隔40 m布置一個水力壓裂鉆孔進(jìn)行大范圍區(qū)域增透，壓裂孔按照Ⅰ～Ⅷ塊段依次編號。壓裂結(jié)束后，在瓦斯含量小于10 m3/t區(qū)域按10 m×10 m布置鉆孔，煤層地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域按6 m×6 m布置鉆孔，瓦斯含量大于10 m3/t的區(qū)域按鉆孔間距8 m×8 m布置，Ⅰ～Ⅷ塊段抽采鉆孔與擴(kuò)孔鉆孔間隔布置。鉆孔布置如圖2、圖3所示。

2.3 水力化增透措施實施

先進(jìn)行水力壓裂施工，然后施工預(yù)抽鉆孔，最后在對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行水力擴(kuò)孔施工。所有鉆孔孔徑均為94 mm。選用BYW315/55型高壓柱塞泵、?51 mm高壓管、壓力表、流量計等。

每個鉆孔泵注壓力控制在25～30 MPa。壓裂施工時間為3.18～4.80 h，單孔注水量為64～90 m3。壓裂結(jié)束后保壓3 d或壓力低于2.0 MPa時保壓結(jié)束并放水。保壓結(jié)束后采用鉆孔取樣實測煤層含水量并整理壓裂前煤層含水量，通過距離平方反比法分別繪制含水量等值線圖。壓裂結(jié)束保壓期間、保壓結(jié)束放水后，在25011下底抽巷分別對垂直中線左偏30°、垂直中線左偏60°、垂直巷頂及垂直中線右偏45°進(jìn)行瞬變電磁法物探，編制了壓裂目標(biāo)區(qū)25011下副巷輪廓線范圍內(nèi)的煤巖層瞬變電磁視電阻率斷面圖。壓裂結(jié)束后，對壓裂目標(biāo)區(qū)25011下副巷輪廓線范圍內(nèi)的煤層取樣并測定其瓦斯含量，通過距離平方反比法利用Surfer軟件分別編制了目標(biāo)區(qū)域壓裂前后煤層瓦斯含量等值線圖。利用壓裂目標(biāo)區(qū)含水量等值線圖、瞬變電磁視電阻率斷面圖在壓裂前后的變化分析水力壓裂作用半徑，根據(jù)壓裂目標(biāo)區(qū)煤層瓦斯含量在壓裂前后的對比分析水力壓裂在防突方面的效果。

圖2 鉆孔布置平面圖

圖3 鉆孔布置剖面圖

鉆孔用?75 mm PVC管對巖孔段全程護(hù)壁，煤孔段全程用篩管護(hù)壁，成孔后24 h內(nèi)用水泥漿進(jìn)行巖孔段封孔，封孔后間隔24 h用鋼絲軟管并網(wǎng)抽放。每列鉆孔安裝一個孔板流量計，通過匯流器與抽采支管相連。并網(wǎng)抽放后，每2 d進(jìn)行單孔濃度、負(fù)壓測量，每天進(jìn)行匯流器濃度、負(fù)壓、壓差測量并計算流量。每列預(yù)抽鉆孔濃度、流量出現(xiàn)明顯衰減時，采用鉆擴(kuò)一體工藝進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，水力擴(kuò)孔壓力控制在25～30 MPa左右，按照鉆孔設(shè)計影響半徑內(nèi)煤量2.5%控制出煤量。

單孔水力擴(kuò)孔作業(yè)時間為3.4～4.3 h，作業(yè)過程中90%以上鉆孔出現(xiàn)強(qiáng)烈噴孔現(xiàn)象。

25011下底抽巷為負(fù)壓通風(fēng)，巷道配風(fēng)量為675 m3/min。巷道內(nèi)共布置了4臺鉆機(jī)同時作業(yè)，施鉆作業(yè)中安裝了氣水煤分離器，鉆孔氣體通過低負(fù)壓抽放管路系統(tǒng)分離，增透作業(yè)錯時施工。

3 水力化增透措施效果考察

3.1 水力化增透措施實施中瓦斯涌出量統(tǒng)計

水力化增透措施過程中，巷道配風(fēng)量為675 m3/min。水力壓裂過程中，巷道風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葞缀鯖]有變化。水力擴(kuò)孔增透時，每個鉆孔作業(yè)時間在3.4～4.3 h之間，施工過程中風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仍隽繛?.12%～0.26%；抽排流量0.82 m3/min，抽排濃度1.0%～6.28%；噴孔時鉆孔回風(fēng)側(cè)最大瓦斯?jié)舛?.6%。水力擴(kuò)孔作業(yè)中，風(fēng)排瓦斯量為173.61～452.79 m3，抽排瓦斯量1.95～13.29 m3，噴出瓦斯量72.35～238.06 m3，施工排出瓦斯175.56～704.14 m3。水力化措施區(qū)域孔板瓦斯?jié)舛惹€如圖4所示。

3.2 水力化增透措施后抽放流量分析

該次水力化增透工程應(yīng)用中，采集每組鉆孔的孔板濃度、流量測量數(shù)據(jù)對比礦井水力沖孔效果，水力沖孔區(qū)域的單孔濃度、孔板濃度、流量小于水力擴(kuò)孔區(qū)域，水力沖孔區(qū)域的單孔濃度、孔板濃度在始抽7～10 d后明顯衰減，水力擴(kuò)孔區(qū)域衰減出現(xiàn)在35～40 d以后，且衰減幅度較小。水力擴(kuò)孔區(qū)域每組鉆孔流量普遍較水力沖孔區(qū)域每組鉆孔流量大0.0084～0.1014 m3/min，每組鉆孔流量差隨著濃度衰減差增大而增大。水力化措施區(qū)域瓦斯流量曲線如圖5所示。

抽放流量的衰減一方面受水力化措施影響半徑的影響，另一方面受煤層頂、底板泥巖的膨脹特性影響，水力化措施增加了煤層頂?shù)装宓暮?，加劇了泥巖的膨脹速率，并逐步擠壓水力化增透后的煤體，煤層透氣性因地應(yīng)力增加又逐步降低。

圖4 水力化措施區(qū)域孔板瓦斯?jié)舛惹€

圖5 水力化措施區(qū)域瓦斯流量曲線

3.3 水力化增透措施半徑分析

水力壓裂區(qū)煤層含水量等值線如圖6所示。由圖6可知，水力壓裂后目標(biāo)區(qū)域煤層含水率增加1%～2%。壓裂后保壓期間視電阻異常低阻區(qū)較正常值低7～13 Ω·m，分別集中在垂直巷頂左偏30°深度30～40 m、垂直中線左偏60°深度50～70 m、垂直巷頂深度20～30 m區(qū)域，為壓裂目標(biāo)煤巷條帶。異常低阻區(qū)呈近圓形、橢圓形，直徑20～25 m。綜合水力壓裂前后煤層含水量等值線、瞬變電磁視電阻率斷面圖分析，水力壓裂影響半徑達(dá)25 m。異常高阻區(qū)位于80～120 m、520～560 m，分別是4#壓裂孔、13#鉆場壓穿后壓裂液濾失過大所致。保壓期間水分下滲至煤層底板，保壓放水后煤層底板視電阻率值較保壓期間低22～69 Ω·m。綜合壓裂前后煤層含水量、瞬變電磁視電阻率，可知水力壓裂作用半徑達(dá)到20～25 m。

水力擴(kuò)孔每米鉆孔沖出煤量1 t，擴(kuò)孔后鉆孔等效半徑可用式(1)表示。

式中：m——沖出的煤量，t；

γ——煤的視密度，t /m3；

d0——沖孔前鉆孔孔徑，m；

l——水力沖孔見煤長度，m。

按每米鉆孔水力擴(kuò)孔共沖出煤量1 t，原始鉆孔孔徑為94 mm，煤的密度以1.4 t/m3來計算，則擴(kuò)孔后鉆孔等效孔徑為96 cm。

經(jīng)統(tǒng)計，水力擴(kuò)孔作業(yè)中，50%以上的相鄰鉆孔有出水或出煤屑情況，同時，擴(kuò)孔作業(yè)后相鄰鉆孔抽放濃度增加，擴(kuò)孔作業(yè)設(shè)計最小孔間距為6 m，可知水力擴(kuò)孔影響半徑達(dá)到6 m。

3.4 水力壓裂后煤層瓦斯含量分析

水力壓裂前后煤層瓦斯含量等值線如圖7所示。由圖7可知，水力壓裂前后，對目標(biāo)壓裂區(qū)控制的巷道輪廓線兩側(cè)各30 m范圍煤層取樣。實測二1煤層瓦斯含量平均降低約1～2.5 m3/t。通過瓦斯含量等值線，水力壓裂后目標(biāo)區(qū)域瓦斯含量降低1～3.5 m3/t。

圖6 水力壓裂區(qū)煤層含水量等值線圖

圖7 水力壓裂前后煤層瓦斯含量等值線圖

4 結(jié)論

(1)綜合水力化措施能有效解決豫西“三軟”煤層區(qū)域消突、增透的問題。水力壓裂能在短期內(nèi)使壓裂區(qū)煤層瓦斯含量平均降低約1～2.5 m3/t。水力沖孔、水力擴(kuò)孔通過排出煤量改變措施區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，使煤層卸壓、透氣性增大，施工期間單孔瓦斯涌出量達(dá)到175.56～704.14 m3。

(2)“三軟“煤層增透方面，水力壓裂+水力擴(kuò)孔綜合增透措施效果優(yōu)于水力壓裂、水力沖孔單一化水力化措施。水力壓裂半徑作用達(dá)到20.0～25.0 m，水力擴(kuò)孔影響半徑達(dá)到6 m。水力壓裂后鉆孔抽采濃度無顯著提升，水力沖孔后鉆孔抽采濃度增加3～6倍，濃度、流量衰減期較普通鉆孔延長1.5～2.5倍。水力壓裂+水力擴(kuò)孔綜合增透后鉆孔抽采濃度較普通鉆孔、水力沖孔分別增加4～7倍、1.1～1.3倍，濃度、流量衰減較普通鉆孔、水力沖孔分別延長3～5倍、1.2～2.0倍。

(3)水力擴(kuò)孔增透影響半徑隨排出煤量增加而增加，過大排煤量產(chǎn)生的煤層孔洞引起的瓦斯積聚及煤層頂、底板劣化等安全問題，為后期巷道掘進(jìn)中瓦斯管理及支護(hù)管理帶來較大影響。合理確定擴(kuò)孔排煤量是水力擴(kuò)孔增透措施效果的關(guān)鍵。