突出煤层先注后冲防喷孔消突技术研究*

赵发军，郝富昌，刘明举

(1.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000； 3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心， 河南 焦作 454000)

数字出版日期： 2017-04-21

0　引言

近年来，越来越多的煤与瓦斯突出煤层采用穿层孔水力冲孔(割缝)来增加煤层透气性。伴随水力化措施的应用，穿层孔施工和水力化措施期间的瓦斯喷孔成为区域防突和防瓦斯超限的重点[1-6]。文献[6]认为保证10 m的安全岩柱并在钻孔口安设导喷装置可有效控制瓦斯喷孔，同时指出提高冲孔压力和钻孔孔径会增加瓦斯喷孔概率；文献[2]对比了“强水快割”和“细水慢割”2种水力割缝方式对瓦斯喷孔的影响，确定了水力割缝的合理水压和进钻速度；文献[3，4]则重点研制了针对瓦斯喷孔的导喷或防喷装置；文献[7]报道了通过改变施工顺序可使喷孔强度降低40%。这些研究对瓦斯喷孔的防治有现实意义。

水力冲孔(割缝)等措施利用瓦斯喷孔达到快速从钻孔中泄出煤体、释放瓦斯的效果[8]，但高强度的瓦斯喷孔像煤与瓦斯突出一样，会损坏钻具、致人伤亡[3, 9]或导致作业区大面积瓦斯超限，因此需要从根本上防治高强度的瓦斯喷孔。在孔口设置导喷或防喷装置虽然可抑制喷孔和防止作业区瓦斯超限，但高强度喷孔会摧毁这些装置、引起次生伤害，同时这些装置将孔密闭，无法观察孔内情况，也是钻进作业的隐患。

文献[6]研究认为地应力和瓦斯压力对煤体的破坏、粉碎和抛出，以及瓦斯急剧膨胀和推动煤体导致了瓦斯喷孔的发生。文献[10]从经典力学分析的角度，给出了瓦斯煤体发生位移时的力学平衡方程。这些研究均考虑瓦斯压力对煤体做功是瓦斯喷孔发生的基础条件，而瓦斯缓慢从煤体中释放并不对煤体做功。因此，减缓煤体中瓦斯的解吸和渗流速度是防止瓦斯喷孔的有效方法。本文主要研究考查在煤层中注水来减轻瓦斯喷孔和快速消突的技术。

1　实验区概况

新安矿二1煤层为豫西“三软”煤层，共发生过13次瓦斯动力现象。14211掘进工作面煤层倾角5～11°，煤层厚度平均3 m，煤层瓦斯含量8.50～10.75 m3/t，煤的坚固性系数0.06～0.45。施工穿层钻孔和水力冲孔期间经常出现瓦斯喷孔导致的生产中断、作业地点瓦斯超限。

2　水对煤体瓦斯的影响

2.1　煤样制备

在14211工作面采集煤样后，筛取1～3 mm粒度煤样装入密闭容器中以防氧化；并测定煤样的坚固性系数、瓦斯放散初速度和煤质工业分析等基本参数见表1。

表1　煤样基本信息

2.2　实验系统

实验系统为自制，实验系统原理见图1。系统可分为吸附、控温、抽真空和解吸4部分。实验过程为先对煤样抽真空8 h；然后对煤样充入纯度为99.99%的甲烷气体并吸附8 h，煤样吸附平衡后开始瓦斯解吸实验，实验过程为恒温。

图1　实验系统Fig.1　Schematic diagram of experimental system

2.3　实验数据

将前期制备的煤样进行干燥或浸泡，分别制备成干燥煤样(含水0.90%)、原煤样(含水3.11%)、湿煤样(含水5.40%)和平衡水煤样(含水6.25%)。含水率不同煤样制备过程中，称重采用瑞士梅特勒Κ104-IC型电子天平(精度0.1 mg)，煤样干燥采用上海精宏DZF-6210型干燥箱。干燥煤样制备：将煤样100 g放入干燥箱中干燥48 h后称重，以后每间隔4 h称重一次，直至恒重；平衡水煤样制备：将煤样100 g置于含过饱和K2SO4溶液的恒温箱(上海一恒，DHG-9245A型)中，48 h后称重，以后每间隔8 h称重一次，直至恒重；湿煤样制备：将平衡水煤样100 g放入干燥箱中干燥6 h后测定水分。在实验系统温度(30±1℃)和煤样吸附平衡压力(0.5 MPa)条件下，进行吸附-解吸实验，结果如图2。实验表明：随水分增加瓦斯气体的吸附量、解吸量、解吸速度和解吸初速度均减小。

图2　不同含水率煤样的瓦斯解吸对比Fig.2　Comparison of gas desorption of coal samples with different water content

含水率与钻屑瓦斯解吸指标的实验数据见表2，表中Mad为煤样含水率，%；P为煤样的吸附压力，MPa；K1为吸附平衡压力下测定的钻屑瓦斯解吸指标，mL·(g·min0.5)-1。

2.4　数据分析

在表2中将吸附压力和钻屑瓦斯解吸指标进行线性拟合后，可预测钻屑瓦斯解吸指标为0.5 mL·(g·min0.5)-1时，煤样含水率从低到高对应的吸附压力为1.57 MPa，1.44 MPa，0.22 MPa和0.074 MPa，根据该数据和表2得到钻屑瓦斯解吸指标达0.5 mL·(g·min0.5)-1或瓦斯压力达0.74 MPa时(《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的临界值)，该二项指标与煤样水分之间的关系见图3。

表2　吸附压力与钻屑瓦斯解吸指标对应值

图3　临界值时的瓦斯参数与含水率的关系Fig.3　Relationship between gas parameters and water content under critical state

图3表明当煤中水分大于原始水分后，临界值的参数将快速下降，煤体中的瓦斯需要通过解吸和渗透泄漏。图2表明随含水率增加，瓦斯从煤体中解吸的初速度减小。因此煤样含水率增加后瓦斯解吸的初速度小、解吸总量小且持续时间长，故不易诱发瓦斯喷孔。

煤中的水分可分为外在水分、内在水分和化合水3种。实验增加的是外在水分，该部分水分主要附着在煤的颗粒表面、大孔和中孔中(孔直径大于100 nm)，直径小于100 nm的过渡孔和微孔中水分子较难进入。煤样干燥后，由于毛细孔吸附力的作用，内在水分不易蒸发，煤样失去的也是外在水分。故实验研究的是外在水分对瓦斯的影响，水分改变了煤的表面超能，煤层注水后外在水分变化最大，水分子占据了煤表面的位置，煤的表面张力和表面超量下降，未吸附自由能小，瓦斯解吸速度减小、瓦斯喷孔概率小。

3　注水效果现场考察

3.1　钻孔设计

14211掘进工作面的底板巷共设计13 个钻场，每个钻场设计20个钻孔掩护巷道掘进，钻孔每4个一组，共5组，剖面图见图4，各钻场钻孔参数相同。其中2～8#钻场只进行水力冲孔实验，9～13#钻场实施先中高压注水后水力冲孔实验。

图4　水力冲孔钻孔剖面Fig.4　Profile diagram of hydraulic punching hole

中高压注水孔斜向上穿层(图5)，中孔于煤层顶板1 m处。注水孔与水平面夹角20.3°，直径75 mm，采用水泥砂浆封孔，封孔深度大于18 m，注水泵额定压力为31.5 MPa。

图5　中高压注水孔剖面Fig.5　Profile diagram of high-pressure water injection hole

进行中高压注水的9～13#钻场在施工设计钻孔前，先施工中高压注水孔并对煤层进行注水，注水至注水管压力表示数下降时终止。注水结束24 h后，施工设计钻孔并进行水力冲孔。现场记录中高压注水参数见表3，表中最大压力为注水管压力表记录压力，注水后底板巷可见岩石开裂和顶板下沉，实测影响半径为26 m。

表3　中高压注水孔施工参数

3.2　实施和效果

各钻场水力冲孔的水压为3～3.5 MPa，冲孔工艺为先将煤层钻穿，后采用专用钻头导引高压水从煤层中冲泄出煤和瓦斯。表4的成孔指冲孔前施工达设计要求的钻孔，瓦斯喷孔或卡钻等导致钻孔未达设计要求的未统计。

表4　钻孔施工情况统计

表5是冲出煤量的对比，表6是冲孔后抽采15 d时残余瓦斯含量对比。

表5　2种措施冲出煤量对比

表6　残余瓦斯含量对比

表4、表5和表6表明：①中高压注水后施工钻孔的喷孔率下降39%，成孔率提高32%，瓦斯喷孔强度下降。②2-8#钻场冲泄总煤量为482.6 t，平均每钻场冲泄68.9 t；9-13#钻场采用先注后冲技术后冲泄总煤量为777.5 t，平均每钻场冲泄155.5 t，先注后冲技术冲泄煤量提高2.3倍。③采用先注后冲技术后，冲泄煤量从占控制范围内原煤总储量的2.2‰～7.4‰提高到8.7‰～14.1‰，《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的保护层膨胀变形量指标的临界值为3‰，数据说明中高压注水结合水力冲孔可达到保护层开采的效果。③抽采15 d后，2-8#钻场残余瓦斯含量2.5～6.1 m3/t，平均抽出率为55.3%；9-13#钻场残余瓦斯含量1.9～4.7 m3/t，平均抽出率为65.7%，抽出率平均提高10.4%；说明2种技术均可实现区域消突，注冲结合消突效果更好。

新安矿的现场应用表明，“先注后冲”与传统冲孔工艺相比，由于掘进速度提高，掘进期间的通风、排水和人工费相对下降，百米煤巷道的掘进综合费用降低0.3万元，经济效果较好。

4　讨论

黄旭超等[11]对钻孔周围煤体应力和失稳进行分析后认为不考虑蠕变时，钻孔应力变化导致煤体具有破坏失稳阶段，当支承应力无法向孔深部转移时，在瓦斯压力作用下，煤壁将失稳并被抛出。郝富昌等[12]从流变特性考虑孔径变化，分析孔的失稳破坏和瓦斯排采通道问题。文献[10]认为煤体失稳时的力平衡方程如式1所示。这些研究指出应力和瓦斯压力是喷孔的动力。

(1)

式中：δx + dx-δx为应力梯度，MPa；Px+dx-Px为瓦斯压力梯度，MPa；λ为侧向压力系数；Rc为煤体的单向抗压强度，MPa；δz为垂直应力，MPa；N为孔壁的支承力，MPa；C为煤的黏聚力，MPa。

煤层中注水后，孔隙压力增加，应力会导致底板巷顶板下沉或岩石开裂，从而使应力转移，注水结束后水体外泻，煤体的应力集中释放，注水过程对煤体产生应力冲击，会影响煤体中吸附瓦斯的解吸速度[13]。由于煤层可近似为无限大，煤层解吸的瓦斯可向无限大空间扩散，冲击时瓦斯和应力向周边转移，冲击结束后其对瓦斯压力和煤体应力的影响有限，但由于煤含水率增加，游离瓦斯量增加。

煤体中的瓦斯解吸后，主要通过渗流方式排泄[14]。刘震等[15]研究认为高压注水后，煤体内产生“液态水润湿解吸渗流区”，由于水的作用，煤样的渗透率显著大于干燥煤样。因此，注水后渗透率提高，解吸的瓦斯更易进入钻孔，会显著降低瓦斯压力梯度。式(1)的左边为瓦斯喷孔的动力，注水后瓦斯压力梯度降低，喷孔动力减小；式(1)的右边为瓦斯喷孔的阻力，注水后黏聚力增加，喷孔的阻力增大，故注水后煤体不易失稳，从而避免了瓦斯喷孔发生。

5　结论

1)煤体水分越高，相同吸附压力下瓦斯解吸速度和初速度越小，二者呈负相关；中高压注水后，游离瓦斯增加、吸附瓦斯减小，煤渗透率增加，瓦斯流动性增强。注水后的双重效应减轻了瓦斯喷孔强度，提高了钻孔成孔率。

2)与水力冲孔技术相比，注冲结合的防喷孔消突技术钻孔成孔率提高32%，适用于瓦斯喷孔严重的软煤层作业。该技术冲出煤量达8.7‰～14.1‰，抽采15 d后抽采率达65.7%，冲出煤量提高2.3倍，是一种高效煤层增透技术。

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