謝文強(qiáng) 陳 珂 李 煥

（河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦，河南省永城市，476600）

含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)研究

謝文強(qiáng) 陳 珂 李 煥

（河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦，河南省永城市，476600）

介紹了含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)，利用高壓水促使鉆孔周邊煤體產(chǎn)生致裂和切割作用，起到壓碎破壞煤體、提高回采工作面回采率及掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度的效果，達(dá)到了消突的目的，改變了以往注水軟化技術(shù)穩(wěn)流、低壓、長(zhǎng)孔的特點(diǎn)。

煤與瓦斯突出 煤層注水 防突機(jī)理 地應(yīng)力 瓦斯解吸速度 深孔水力致裂

含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)作為一種防治煤與瓦斯突出的新技術(shù)，其原理不在于水分對(duì)瓦斯的封堵作用，而在于降低了硬煤分層的強(qiáng)度，使采掘工作面前方出現(xiàn)一條狹長(zhǎng)的卸壓帶和破裂帶，使軟分層內(nèi)賦存的瓦斯在暴露前提前釋放出來(lái)，從而使煤體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，集中應(yīng)力帶前移，使采掘工作面的安全屏障加大；同時(shí)使煤體瓦斯的解吸速度明顯加快。經(jīng)驗(yàn)表明，注水后只需將抽放鉆孔布置到該卸壓帶和破裂帶內(nèi)，不但可以快速抽出煤體內(nèi)瓦斯，起到防突的作用，而且還能為巷道的快速掘進(jìn)及工作面的安全快速回采節(jié)約大量的時(shí)間。

為了深入研究該技術(shù)的防突機(jī)理，現(xiàn)以神火集團(tuán)薛湖煤礦二2煤為例，以地應(yīng)力分布情況、瓦斯解吸速度快慢及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值的大小為研究指標(biāo)，對(duì)其防突效果做了現(xiàn)場(chǎng)考察，并利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)含瓦斯煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)的防突機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

1 水力致裂增透與淺孔抽采技術(shù)的主要設(shè)備及其優(yōu)、缺點(diǎn)

1.1 水力致裂增透與淺孔抽采技術(shù)的主要設(shè)備

深孔水力致裂增透與淺孔抽采技術(shù)所需的設(shè)備較簡(jiǎn)單，主要有：

（1）BRW15－315高壓注水泵，額定注水功率75 k W，額定注水流量125 l/min，額定注水壓力31.5 MPa，注水用高壓膠管外徑32 mm。

（2）自主研發(fā)的注抽器，見(jiàn)圖1。

圖1 注抽器

1.2 水力致裂增透與淺孔抽采技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

（1）可在較短時(shí)間內(nèi)提高煤巷掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)速度、回采工作面的生產(chǎn)能力及其回采率。在這方面煤層注水軟化與抽注一體化煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)相比，雖煤層注水軟化也能起到提高掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度、回采工作面生產(chǎn)能力及其回采率的目的，但其所需時(shí)間較長(zhǎng)，通常需l～2個(gè)月。從當(dāng)前礦井接替相對(duì)緊張的實(shí)際來(lái)看，較難滿足注水軟化所需要的時(shí)間。而抽注一體化煤層深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)僅需1～2 h即可達(dá)到目的?？梢?jiàn)，該技術(shù)在提高工作面掘進(jìn)速度、生產(chǎn)能力及回采率等方面效果顯著。

（2）可增加有效的工作時(shí)間。在實(shí)際工作中，直接施工措施孔抽放需要較長(zhǎng)的打孔時(shí)間，相對(duì)減少了工作面正常掘進(jìn)和生產(chǎn)的時(shí)間；而深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)需施工的注水鉆孔數(shù)量較少，在煤體經(jīng)過(guò)高壓注水受力破裂后再施工措施孔便可節(jié)約大量的時(shí)間，相對(duì)增加了工作面正常掘進(jìn)與生產(chǎn)的時(shí)間，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益和工作效率，而且杜絕了打孔期間噴孔和吸鉆現(xiàn)象。

（3）可直接降低原煤產(chǎn)出的成本。該技術(shù)方案與以往煤層注水軟化技術(shù)相比，節(jié)約了采掘工作面煤體的注水量；與深孔松動(dòng)爆破技術(shù)相比，減少了雷管和火藥的消耗量，達(dá)到了少投入、多產(chǎn)出的目的，直接減少了原煤產(chǎn)出成本。

（4）可明顯降低煤體的瓦斯含量。實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)時(shí)，隨著大量高壓水的注入，導(dǎo)致煤體內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即增加了煤層內(nèi)部自由面的數(shù)量。而煤層中賦存的瓦斯一部分被水占據(jù)了裂隙空間而提前驅(qū)趕出來(lái)；另一部分由于氣體易擴(kuò)散的性質(zhì)，瓦斯沿著自由面裂隙擴(kuò)散到回采工作面風(fēng)、機(jī)兩巷和采掘空間內(nèi)被風(fēng)流吹散稀釋，減少了割煤時(shí)的瓦斯涌出量和采空區(qū)內(nèi)瓦斯的積聚，避免了工作面瓦斯事故的發(fā)生。

（5）可改善一線職工的作業(yè)環(huán)境。在高度機(jī)械化的現(xiàn)代化礦井中，工作面開(kāi)掘與回采期間對(duì)一線職工傷害最大的是生產(chǎn)過(guò)程中的礦塵。采用深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)可有效增加煤層的含水量，減少了割煤過(guò)程中礦塵的產(chǎn)生量，減輕了一線職工的職業(yè)危害。

薛湖礦自實(shí)施抽注一體防突措施以來(lái)，瓦斯超限事故得到了很好的控制，為礦井的安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。注水孔布置見(jiàn)圖2，煤巷掘進(jìn)工作面深孔注水及淺孔抽放鉆孔布置示意圖（孔深65 m左右）如圖2（a），回采工作面采用淺孔注水抽放鉆孔布置示意圖（孔深25 m左右）如圖2（b），均采用圖1所示的注抽器封孔，注水壓強(qiáng)在12～18 MPa之間，封孔器長(zhǎng)0.8～1 m，掘進(jìn)工作面封孔深度要求不低于20 m，回采工作面封孔深度在8～10 m之間。

圖2 注水孔布置示意圖

2 深孔水力致裂增透與淺孔抽采技術(shù)效果考察

2.1 地應(yīng)力分布情況

在礦井煤與瓦斯突出預(yù)防領(lǐng)域內(nèi)，鉆屑量Smax是效檢和預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一，其綜合反映了采掘工作面前方瓦斯壓力和地應(yīng)力的分布情況。為歸納采掘工作面鉆屑量的變化規(guī)律，在工作面內(nèi)布置2個(gè)?42 mm、深7m左右、間距3 m的順煤層鉆孔。在鉆進(jìn)期間，每隔1 m測(cè)一次鉆屑量并做好記錄；注水結(jié)束后，在2個(gè)注水鉆孔中間重新布置1個(gè)測(cè)試鉆孔，每隔1 m同樣測(cè)一次鉆屑量并做好記錄。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出采掘工作面應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖3?；夭擅娌捎妙愃频姆椒?，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖3和圖4中不難看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鉆屑量分布規(guī)律與采場(chǎng)支承壓力的分布規(guī)律趨勢(shì)基本一致?？梢?jiàn)，鉆屑量可直接反映出采掘工作面前方地應(yīng)力的分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，工作面煤體高壓注水后集中應(yīng)力帶明顯后移，使得工作面前方卸壓區(qū)域增大，有利于煤體的消突。從圖3可知，采掘工作面高壓注水前，鉆屑量最大值出現(xiàn)在工作面前方2 m左右，注水后，其最大值出現(xiàn)在3 m附近。可見(jiàn)經(jīng)過(guò)高壓注水，采掘工作面卸壓區(qū)域由2 m增加到3 m，即應(yīng)力集中區(qū)后移了1 m，使工作面安全屏障范圍增加了50%。從圖4可知，回采工作面注水前，鉆屑量最大值出現(xiàn)在工作面前方7.5 m左右，而注水后其最大值出現(xiàn)在10.5 m附近，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)高壓注水，回采工作面卸壓區(qū)域由7.5 m增加到10.5 m，即應(yīng)力集中區(qū)帶后移了3 m，使回采工作面安全屏障范圍增加了40%。

實(shí)驗(yàn)表明，薛湖煤礦二2煤原始煤的抗壓極限強(qiáng)度在10.2 MPa左右，與注水壓力處在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，因此在12～18 MPa的注水壓力范圍內(nèi)，可將煤體致裂，使其塑性增加。薛湖礦二2煤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，高壓注水后，煤體的抗壓極限強(qiáng)度略小于1.02 MPa?？梢?jiàn)，注水后的煤體抗壓極限強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始煤體的抗壓強(qiáng)度。由于煤體的塑性增加，煤體在采場(chǎng)應(yīng)力的耦合作用下，應(yīng)力支撐點(diǎn)向煤體深部轉(zhuǎn)移，使得煤體卸壓區(qū)域增大，因此，高壓注水后的煤體抵抗煤與瓦斯突出的強(qiáng)度增加。

2.2 瓦斯解吸速度

為了進(jìn)一步研究實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)后對(duì)煤體解吸的抑制效果，本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試瓦斯含量的方法，即測(cè)試注水前后煤體的瓦斯解吸速度。在井下打鉆取樣測(cè)定煤體瓦斯含量的過(guò)程中，可推出：

式中：v——煤體自暴露起至t0＋t時(shí)間范圍內(nèi)瓦斯的累計(jì)解吸量，ml；

k——與瓦斯解吸速度相關(guān)的系數(shù)，ml/min0.5；

t——瓦斯解吸的測(cè)定時(shí)間，min；

t0——煤體在解吸測(cè)定前的暴露時(shí)間，min。

式中：t1——取樣的時(shí)間（取起鉆時(shí)間的二分之一），min；

t2——瓦斯解吸量測(cè)定前煤體的暴露時(shí)間，min。

由于取煤樣過(guò)程中難免有瓦斯遺失，可見(jiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試時(shí)，測(cè)出的瓦斯量只是煤體總解吸瓦斯量的一部分，由公式（1）不難得出逸散的瓦斯量是：

由公式（1）和公式（3）可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯解吸量是：

因公式（4）是線性方程，可利用最小二乘法解出k和v1值，在確定瓦斯遺失量時(shí)，以為橫標(biāo)，以實(shí)際瓦斯解吸量v2為縱標(biāo)，v1是直線在縱坐標(biāo)上截距的絕對(duì)值，k是直線斜率。以薛湖礦2303風(fēng)巷掘進(jìn)工作面和2105綜采工作面為例，對(duì)比二2煤層實(shí)施抽注一體防突技術(shù)前后各地點(diǎn)瓦斯解吸速度的變化，見(jiàn)圖5。

現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解吸速度測(cè)定后，將所取煤樣在密封狀態(tài)送至實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行殘存瓦斯量測(cè)試。即可得圖5中所取各地點(diǎn)煤樣的瓦斯含量，見(jiàn)表1。

由圖5可知，薛湖礦二2煤層注水前瓦斯解吸速度在142.36～166.12 ml/min0.5之間，注水后則在50.12～518.22 ml/min0.5之間，除7＃煤樣外，注水后煤體瓦斯解吸速度都明顯降低。通常實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的k值是所測(cè)煤樣罐中總的瓦斯解吸速度，而每次所裝煤樣很難做到完全相等，因此，只有將其換算為單位質(zhì)量上煤的瓦斯解吸速度方可科學(xué)對(duì)比。由表1知，單位質(zhì)量煤樣的瓦斯解吸速度在0.695～0.768 ml/（g·min0.5）之間，平均0.7315 ml/（g·min0.5），注水后煤樣瓦斯解析速度在0.376～0.525 ml/（g·min0.5）之間，除7＃煤樣，平均值是0.4508 ml/（g·min0.5），瓦斯解吸速度明顯降低，平均值下降了38.4%。而高壓注水后，煤層深部解吸速度可達(dá)2.442 ml/（g·min0.5），與注水前相比，不但沒(méi)降，反而有大幅度增大趨勢(shì)。由表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可繪出瓦斯解吸速度與瓦斯賦存含量關(guān)系的散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖6。可見(jiàn)，瓦斯解吸速度與瓦斯賦存含量無(wú)顯著的線性關(guān)系，證明煤體的瓦斯賦存含量對(duì)瓦斯解吸速度影響不明顯。

圖5 注水前后瓦斯解吸速度測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)表明，高壓注水后，造成淺部煤體瓦斯解吸速度降低，深部煤體瓦斯解吸速度加快的原因與水分子對(duì)煤體瓦斯的吸附能力有直接關(guān)系。在水的吸附作用下煤體瓦斯變得難以解吸。而在壓力水驅(qū)趕瓦斯的情況下，煤體深部瓦斯壓力會(huì)相應(yīng)增大。因此，高壓注水時(shí)要盡可能的采取深孔注水，以增加水的運(yùn)移范圍，加大采掘工作面的安全屏障。

實(shí)踐表明，發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件是煤體大量瓦斯瞬間快速解吸釋放。因此，只需控制工作面煤體瓦斯快速解吸，即可起到防突的目的。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)不難得知，高壓注水后煤體的瓦斯解吸速度下降了38.4%，有利于煤與瓦斯突出的防治。

表1 薛湖礦注抽前后煤體瓦斯含量匯總表

圖6 煤體瓦斯解析速度與瓦斯含量散點(diǎn)圖

2.3 煤層突出預(yù)測(cè)指標(biāo)值及效檢值分布情況

薛湖礦以鉆屑量Smax和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效檢指標(biāo)值，同時(shí)，輔助監(jiān)測(cè)煤體的堅(jiān)固性系數(shù)、煤的破壞類型及軟分層厚度情況。

圖7 采掘工作面注水前后K1值變化情況

依據(jù)2011年12月薛湖礦2303風(fēng)巷掘進(jìn)工作面和2105綜采工作面采用高壓注水作為局部防突措施的實(shí)測(cè)資料，可繪出采掘工作面注水前后K1值變化情況，見(jiàn)圖7，從圖7中曲線可知，注水后K1值比注水前有明顯下降。因K1值代表的是所取鉆屑第1 min內(nèi)的瓦斯解吸量，也就是說(shuō)高壓注水以后使得煤體瓦斯的解吸速度下降，有利于礦井煤與瓦斯突出防治工作。

3 結(jié)論

對(duì)薛湖礦采掘工作面實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)后，分別對(duì)各采掘區(qū)域地應(yīng)力分布情況、瓦斯解吸速度快慢以及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)考察，驗(yàn)證了煤層高壓注水對(duì)煤與瓦斯突出的3個(gè)主要作用。

（1）采掘工作面實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)后，通過(guò)高壓水對(duì)鉆孔周圍煤層產(chǎn)生切割、致裂作用，使工作面應(yīng)力峰值后移，進(jìn)而工作面前方卸壓帶長(zhǎng)度加大，達(dá)到驅(qū)趕煤層游離瓦斯，進(jìn)行淺孔快速抽放的目的，從而加大了工作面的安全屏障。

（2）采掘工作面實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突過(guò)程中，隨著水分進(jìn)入致裂煤體孔隙后，不但可軟化和滲潤(rùn)煤體，而且可以融解煤生成過(guò)程中的膠解物，從而降低煤層的脆性。

（3）采掘工作面實(shí)施深孔水力致裂增透與淺孔抽采消突技術(shù)后，注入煤體中的水分不僅起到驅(qū)趕裂隙中瓦斯的作用，也在一定程度上抑制了煤體瓦斯的解吸速度，避免了大量瓦斯的快速解吸，起到了消突的作用。

［1］ 曲芳，張龍等.鉆屑指標(biāo)變化規(guī)律及其在突出預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2011（10）

［2］ 郗兵印，張福喜.綜采面淺孔煤壁注水防突機(jī)理與有效范圍［J］.煤礦安全，1988（4）

［3］ 肖知國(guó)，王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機(jī)理的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009（10）

［4］ 王青松，金龍哲，孫金華.煤層注水過(guò)程分析和煤體潤(rùn)濕機(jī)理研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004（1）

［5］ 蔣承林.煤層注水的防突機(jī)理分析［J］.湘潭工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（3）

［6］ 王兆豐，李志強(qiáng).水力擠出措施消突機(jī)理研究［J］.煤礦安全，2004（12）

［7］ 劉明舉，潘輝等.煤巷水力擠出防突措施的研究與應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（2）

［8］ 瞿濤寶.論煤層注水處理瓦斯的效果［J］.煤礦安全，1994（5）

［9］ 魏閏營(yíng)，張書軍等.突出煤層掘進(jìn)防突技術(shù)研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）

Research on techniques of hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes and outburst removal via gas drainage in shallow boreholes for gas－bearing coal seams

Xie Wenqiang，Chen Ke，Li Huan
（Xuehu Coal Mine，Henan Shenhuo Group Co.，Ltd.，Yongcheng，Henan 476600，China）

The techniques of hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes and outburst removal via gas drainage were introduced.The coal mass around the boreholes was cracked and cut by the high pressure water，which could crush and break the coal mass，improve the mining rate and driving speed at the working face.Finally，the purpose of outburst removal was achieved and the previous characteristics as steady flow，low pressure and long borehole of the water infusion softening technology were changed.

coal and gas outburst，water infusion in coal seam，outburst protection mechanism，ground stress，velocity of gas desorption，hydraulic fracturing increased permeability in deep boreholes

TD713.33

A

謝文強(qiáng)（1968－），男，河南淮陽(yáng)人，畢業(yè)于河南理工大學(xué)采礦專業(yè)，現(xiàn)任神火集團(tuán)薛湖煤礦總工程師，主要從事礦井開(kāi)采與瓦斯防治工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）