含瓦斯煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术研究

谢文强 陈 珂 李 焕

（河南神火集团有限公司薛湖煤矿，河南省永城市，476600）

含瓦斯煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术研究

谢文强 陈 珂 李 焕

（河南神火集团有限公司薛湖煤矿，河南省永城市，476600）

介绍了含瓦斯煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术，利用高压水促使钻孔周边煤体产生致裂和切割作用，起到压碎破坏煤体、提高回采工作面回采率及掘进工作面掘进速度的效果，达到了消突的目的，改变了以往注水软化技术稳流、低压、长孔的特点。

煤与瓦斯突出 煤层注水 防突机理 地应力 瓦斯解吸速度 深孔水力致裂

含瓦斯煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术作为一种防治煤与瓦斯突出的新技术，其原理不在于水分对瓦斯的封堵作用，而在于降低了硬煤分层的强度，使采掘工作面前方出现一条狭长的卸压带和破裂带，使软分层内赋存的瓦斯在暴露前提前释放出来，从而使煤体力学性质发生改变，集中应力带前移，使采掘工作面的安全屏障加大；同时使煤体瓦斯的解吸速度明显加快。经验表明，注水后只需将抽放钻孔布置到该卸压带和破裂带内，不但可以快速抽出煤体内瓦斯，起到防突的作用，而且还能为巷道的快速掘进及工作面的安全快速回采节约大量的时间。

为了深入研究该技术的防突机理，现以神火集团薛湖煤矿二2煤为例，以地应力分布情况、瓦斯解吸速度快慢及钻屑瓦斯解吸指标值的大小为研究指标，对其防突效果做了现场考察，并利用测试数据对含瓦斯煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术的防突机理进行了理论分析。

1 水力致裂增透与浅孔抽采技术的主要设备及其优、缺点

1.1 水力致裂增透与浅孔抽采技术的主要设备

深孔水力致裂增透与浅孔抽采技术所需的设备较简单，主要有：

（1）BRW15－315高压注水泵，额定注水功率75 k W，额定注水流量125 l/min，额定注水压力31.5 MPa，注水用高压胶管外径32 mm。

（2）自主研发的注抽器，见图1。

图1 注抽器

1.2 水力致裂增透与浅孔抽采技术的优、缺点

（1）可在较短时间内提高煤巷掘进工作面的掘进速度、回采工作面的生产能力及其回采率。在这方面煤层注水软化与抽注一体化煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术相比，虽煤层注水软化也能起到提高掘进工作面掘进速度、回采工作面生产能力及其回采率的目的，但其所需时间较长，通常需l～2个月。从当前矿井接替相对紧张的实际来看，较难满足注水软化所需要的时间。而抽注一体化煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术仅需1～2 h即可达到目的。可见，该技术在提高工作面掘进速度、生产能力及回采率等方面效果显著。

（2）可增加有效的工作时间。在实际工作中，直接施工措施孔抽放需要较长的打孔时间，相对减少了工作面正常掘进和生产的时间；而深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术需施工的注水钻孔数量较少，在煤体经过高压注水受力破裂后再施工措施孔便可节约大量的时间，相对增加了工作面正常掘进与生产的时间，不仅提高了经济效益和工作效率，而且杜绝了打孔期间喷孔和吸钻现象。

（3）可直接降低原煤产出的成本。该技术方案与以往煤层注水软化技术相比，节约了采掘工作面煤体的注水量；与深孔松动爆破技术相比，减少了雷管和火药的消耗量，达到了少投入、多产出的目的，直接减少了原煤产出成本。

（4）可明显降低煤体的瓦斯含量。实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术时，随着大量高压水的注入，导致煤体内部原有结构发生改变，即增加了煤层内部自由面的数量。而煤层中赋存的瓦斯一部分被水占据了裂隙空间而提前驱赶出来；另一部分由于气体易扩散的性质，瓦斯沿着自由面裂隙扩散到回采工作面风、机两巷和采掘空间内被风流吹散稀释，减少了割煤时的瓦斯涌出量和采空区内瓦斯的积聚，避免了工作面瓦斯事故的发生。

（5）可改善一线职工的作业环境。在高度机械化的现代化矿井中，工作面开掘与回采期间对一线职工伤害最大的是生产过程中的矿尘。采用深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术可有效增加煤层的含水量，减少了割煤过程中矿尘的产生量，减轻了一线职工的职业危害。

薛湖矿自实施抽注一体防突措施以来，瓦斯超限事故得到了很好的控制，为矿井的安全高效生产创造了条件。注水孔布置见图2，煤巷掘进工作面深孔注水及浅孔抽放钻孔布置示意图（孔深65 m左右）如图2（a），回采工作面采用浅孔注水抽放钻孔布置示意图（孔深25 m左右）如图2（b），均采用图1所示的注抽器封孔，注水压强在12～18 MPa之间，封孔器长0.8～1 m，掘进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之间。

图2 注水孔布置示意图

2 深孔水力致裂增透与浅孔抽采技术效果考察

2.1 地应力分布情况

在矿井煤与瓦斯突出预防领域内，钻屑量Smax是效检和预测突出危险性的重要指标之一，其综合反映了采掘工作面前方瓦斯压力和地应力的分布情况。为归纳采掘工作面钻屑量的变化规律，在工作面内布置2个ø42 mm、深7m左右、间距3 m的顺煤层钻孔。在钻进期间，每隔1 m测一次钻屑量并做好记录；注水结束后，在2个注水钻孔中间重新布置1个测试钻孔，每隔1 m同样测一次钻屑量并做好记录。经现场实测，得出采掘工作面应力分布情况，见图3。回采面采用类似的方法，现场观测结果见图4。

从图3和图4中不难看出，现场实测的钻屑量分布规律与采场支承压力的分布规律趋势基本一致。可见，钻屑量可直接反映出采掘工作面前方地应力的分布规律。实验表明，工作面煤体高压注水后集中应力带明显后移，使得工作面前方卸压区域增大，有利于煤体的消突。从图3可知，采掘工作面高压注水前，钻屑量最大值出现在工作面前方2 m左右，注水后，其最大值出现在3 m附近。可见经过高压注水，采掘工作面卸压区域由2 m增加到3 m，即应力集中区后移了1 m，使工作面安全屏障范围增加了50%。从图4可知，回采工作面注水前，钻屑量最大值出现在工作面前方7.5 m左右，而注水后其最大值出现在10.5 m附近，可见经过高压注水，回采工作面卸压区域由7.5 m增加到10.5 m，即应力集中区带后移了3 m，使回采工作面安全屏障范围增加了40%。

实验表明，薛湖煤矿二2煤原始煤的抗压极限强度在10.2 MPa左右，与注水压力处在一个数量级内，因此在12～18 MPa的注水压力范围内，可将煤体致裂，使其塑性增加。薛湖矿二2煤现场测试结果显示，高压注水后，煤体的抗压极限强度略小于1.02 MPa。可见，注水后的煤体抗压极限强度远远小于原始煤体的抗压强度。由于煤体的塑性增加，煤体在采场应力的耦合作用下，应力支撑点向煤体深部转移，使得煤体卸压区域增大，因此，高压注水后的煤体抵抗煤与瓦斯突出的强度增加。

2.2 瓦斯解吸速度

为了进一步研究实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术后对煤体解吸的抑制效果，本文采用现场测试瓦斯含量的方法，即测试注水前后煤体的瓦斯解吸速度。在井下打钻取样测定煤体瓦斯含量的过程中，可推出：

式中：v——煤体自暴露起至t0＋t时间范围内瓦斯的累计解吸量，ml；

k——与瓦斯解吸速度相关的系数，ml/min0.5；

t——瓦斯解吸的测定时间，min；

t0——煤体在解吸测定前的暴露时间，min。

式中：t1——取样的时间（取起钻时间的二分之一），min；

t2——瓦斯解吸量测定前煤体的暴露时间，min。

由于取煤样过程中难免有瓦斯遗失，可见，在现场解吸测试时，测出的瓦斯量只是煤体总解吸瓦斯量的一部分，由公式（1）不难得出逸散的瓦斯量是：

由公式（1）和公式（3）可知，现场实测瓦斯解吸量是：

因公式（4）是线性方程，可利用最小二乘法解出k和v1值，在确定瓦斯遗失量时，以为横标，以实际瓦斯解吸量v2为纵标，v1是直线在纵坐标上截距的绝对值，k是直线斜率。以薛湖矿2303风巷掘进工作面和2105综采工作面为例，对比二2煤层实施抽注一体防突技术前后各地点瓦斯解吸速度的变化，见图5。

现场瓦斯解吸速度测定后，将所取煤样在密封状态送至实验室，进行残存瓦斯量测试。即可得图5中所取各地点煤样的瓦斯含量，见表1。

由图5可知，薛湖矿二2煤层注水前瓦斯解吸速度在142.36～166.12 ml/min0.5之间，注水后则在50.12～518.22 ml/min0.5之间，除7＃煤样外，注水后煤体瓦斯解吸速度都明显降低。通常实验室测得的k值是所测煤样罐中总的瓦斯解吸速度，而每次所装煤样很难做到完全相等，因此，只有将其换算为单位质量上煤的瓦斯解吸速度方可科学对比。由表1知，单位质量煤样的瓦斯解吸速度在0.695～0.768 ml/（g·min0.5）之间，平均0.7315 ml/（g·min0.5），注水后煤样瓦斯解析速度在0.376～0.525 ml/（g·min0.5）之间，除7＃煤样，平均值是0.4508 ml/（g·min0.5），瓦斯解吸速度明显降低，平均值下降了38.4%。而高压注水后，煤层深部解吸速度可达2.442 ml/（g·min0.5），与注水前相比，不但没降，反而有大幅度增大趋势。由表1实测数据可绘出瓦斯解吸速度与瓦斯赋存含量关系的散点图，见图6。可见，瓦斯解吸速度与瓦斯赋存含量无显著的线性关系，证明煤体的瓦斯赋存含量对瓦斯解吸速度影响不明显。

图5 注水前后瓦斯解吸速度测定结果

试验表明，高压注水后，造成浅部煤体瓦斯解吸速度降低，深部煤体瓦斯解吸速度加快的原因与水分子对煤体瓦斯的吸附能力有直接关系。在水的吸附作用下煤体瓦斯变得难以解吸。而在压力水驱赶瓦斯的情况下，煤体深部瓦斯压力会相应增大。因此，高压注水时要尽可能的采取深孔注水，以增加水的运移范围，加大采掘工作面的安全屏障。

实践表明，发生煤与瓦斯突出的必要条件是煤体大量瓦斯瞬间快速解吸释放。因此，只需控制工作面煤体瓦斯快速解吸，即可起到防突的目的。从现场实测的数据不难得知，高压注水后煤体的瓦斯解吸速度下降了38.4%，有利于煤与瓦斯突出的防治。

表1 薛湖矿注抽前后煤体瓦斯含量汇总表

图6 煤体瓦斯解析速度与瓦斯含量散点图

2.3 煤层突出预测指标值及效检值分布情况

薛湖矿以钻屑量Smax和钻屑瓦斯解吸指标K1值作为突出危险性预测和效检指标值，同时，辅助监测煤体的坚固性系数、煤的破坏类型及软分层厚度情况。

图7 采掘工作面注水前后K1值变化情况

依据2011年12月薛湖矿2303风巷掘进工作面和2105综采工作面采用高压注水作为局部防突措施的实测资料，可绘出采掘工作面注水前后K1值变化情况，见图7，从图7中曲线可知，注水后K1值比注水前有明显下降。因K1值代表的是所取钻屑第1 min内的瓦斯解吸量，也就是说高压注水以后使得煤体瓦斯的解吸速度下降，有利于矿井煤与瓦斯突出防治工作。

3 结论

对薛湖矿采掘工作面实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术后，分别对各采掘区域地应力分布情况、瓦斯解吸速度快慢以及钻屑瓦斯解吸指标K1值进行了现场实测考察，验证了煤层高压注水对煤与瓦斯突出的3个主要作用。

（1）采掘工作面实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术后，通过高压水对钻孔周围煤层产生切割、致裂作用，使工作面应力峰值后移，进而工作面前方卸压带长度加大，达到驱赶煤层游离瓦斯，进行浅孔快速抽放的目的，从而加大了工作面的安全屏障。

（2）采掘工作面实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突过程中，随着水分进入致裂煤体孔隙后，不但可软化和渗润煤体，而且可以融解煤生成过程中的胶解物，从而降低煤层的脆性。

（3）采掘工作面实施深孔水力致裂增透与浅孔抽采消突技术后，注入煤体中的水分不仅起到驱赶裂隙中瓦斯的作用，也在一定程度上抑制了煤体瓦斯的解吸速度，避免了大量瓦斯的快速解吸，起到了消突的作用。

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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

谢文强（1968－），男，河南淮阳人，毕业于河南理工大学采矿专业，现任神火集团薛湖煤矿总工程师，主要从事矿井开采与瓦斯防治工作。

（责任编辑 张艳华）