中马村矿围岩抽采钻孔一孔多用技术应用研究

敬复兴 李 锋 武永明

(1.河南能源化工集团焦煤公司中马村矿，河南省焦作市，454003；2.河南能源化工集团研究院有限公司，河南省郑州市，450046)

★ 煤矿安全 ★

中马村矿围岩抽采钻孔一孔多用技术应用研究

敬复兴1李 锋2武永明1

(1.河南能源化工集团焦煤公司中马村矿，河南省焦作市，454003；2.河南能源化工集团研究院有限公司，河南省郑州市，450046)

以中马村矿27011工作面实际情况为背景，通过理论分析提出了井下钻孔一孔多用抽采技术，并开展了一孔多用钻孔现场工业性试验。试验结果表明，该一孔多用钻孔成功进行了水力压裂改造，影响范围长65 m，宽50 m；影响范围内采前预抽期平均瓦斯抽采纯量达到803.4 m3/d，是改造前的7倍。

一孔多用 水力压裂 瓦斯抽采

为解决本煤层透气性造成的瓦斯极难抽采问题，相关科研工作者研发了水力强化本煤层增透技术和煤层围岩抽采技术，在特定的地质条件下都取得了较好的效果。针对中马村矿煤层透气性差，煤层构造多，钻孔在本煤层中极易塌孔等问题，如果钻孔布置在煤层的围岩中，将有效避免塌孔问题，且可以先后为采前预抽、采中卸压抽采、采后采空区抽采服务，可以有效地提高钻孔的利用率，从而减少钻孔工程量，降低煤层瓦斯治理费用，使煤矿瓦斯抽采由“抽得出”向“抽得快、抽得省”转变。为实现采前、采中和采后的抽采，中马村矿进行了煤矿井下围岩抽采钻孔一孔多用技术研究，该技术具有钻孔利用率高、抽采时间长、抽采率高等优点。

1 围岩抽采钻孔一孔多用技术

围岩抽采钻孔一孔多用技术是指将抽采钻孔布置在煤层顶板的合适层位，在钻孔的使用周期中可以完成地质探孔、钻孔水力强化、采前预抽瓦斯、采中卸压抽采和采空区瓦斯抽采的作用。围岩抽采层一孔多用钻孔示意图如图1所示。

(1)地质探孔。煤层掘进和回采前首先应了解清楚采区地质、煤层赋存等条件，采前在煤层顶底板施工钻孔，可以作为地质孔超前探测掘进头或工作面前方的地质情况，如断层、陷落柱和褶曲的发育情况。同时，还可以对矿井水做一个超前探测，特别对掘进头的安全掘进具有重要意义。但此孔施工后必须进行钻孔轨迹测量，否则会造成地质解释出现偏差。

图1 围岩抽采层一孔多用钻孔示意图

(2)储层改造孔。围岩抽采孔一孔多用技术可以通过钻孔的水力强化实现对煤层透气性的改造，实现对储层的改造，增加煤层顶板和煤层的渗透性，使煤层中瓦斯通过顶板进行抽采，从而实现煤层瓦斯的抽采，由于钻孔为岩石钻孔，大大降低了钻孔的塌孔率，提高了钻孔利用率，进行钻孔水力强化，解决了在软煤较为发育的煤层进行本煤层钻孔水力强化的局限性。围岩抽采层一孔多用钻孔储层改造采前瓦斯抽采示意图如图2所示。

图2 围岩抽采层一孔多用钻孔储层改造采前瓦斯抽采示意图

(3)采前预抽孔。本煤层瓦斯预抽是目前防治掘进工作面和回采工作面瓦斯突出、涌出的主要措施之一。顶底板围岩抽采层钻孔水力强化主要是将原有裂隙通过水力强化，将裂隙延伸，形成具有一定面积和抽放影响范围的裂隙带，增大瓦斯流出通道，提高瓦斯的抽采效率。

(4)采中抽采孔。在煤层掘进和回采过程中，由于巷道卸压，顶底板岩层发生一定程度的变形，形成一定区域的卸压带。采煤过程中，煤层原有应力平衡遭到破坏，在煤壁前方的煤体内形成3个应力区，即原岩应力区、应力增高区和应力降低区，如图3所示。由于应力降低区的存在，一定程度上扩大了原有水力强化产生的裂隙范围，裂隙进一步延伸，抽放面积也得到扩大。

图3 围岩抽采层压裂抽采孔采中瓦斯抽采机理

(5)采空区瓦斯抽采。在回采工作面回采结束后会形成采空区，采空区上覆岩层运动过程中，根据各岩层运动性质的不同从下至上可以划分为“三带”，即冒落带(垮落带)、裂隙带和弯曲下沉带，如图4所示。在冒落带中，破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。裂隙带位于冒落带之上，是指岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域。裂隙带上方岩层仅出现下沉弯曲，称弯曲下沉带。

图4 围岩抽采层一孔多用钻孔采后瓦斯抽采示意图

上覆岩层在形成“三带”过程中会造出大量的裂隙，瓦斯密度小于空气，在采空区“三带”形成的多孔介质空间中，下部的冒落带瓦斯浓度较低并含有大量工作面漏风，高浓度瓦斯主要集中于冒落带顶部和裂隙带中下部。因此，利用顶板水力强化钻孔可以抽放采空区瓦斯。

由于水力强化所形成的裂隙与采空区“三带”形成的裂隙贯穿，形成了较大的裂隙带，随着工作面的逐渐推进，采空区上覆冒落带和裂隙带也在跟随工作面向前发育，裂隙范围也越来越广，通过负压抽采可将顶板高浓度瓦斯积聚区的瓦斯抽出。

(6)截流围岩及邻近层瓦斯。在煤层顶底板围岩抽采层施工钻孔并进行水力强化可以有效地抽采煤储层、围岩及邻近层的瓦斯，如图5所示。

围岩抽采层一孔多用钻孔强化的基本原理与本煤层相似，只是瓦斯运移产出途径不同。其最大特点是在围岩抽采层中施工钻孔容易，抽采过程中钻孔的维护简单、不易塌孔堵塞。软煤储层在本煤层无法实现水力强化的情况下，实施围岩抽采层强化无疑是一条重要途径。这一技术的突破将使钻孔取代岩巷成为现实，将大大降低瓦斯区域消突的成本、显著缩短工程施工时间、提高采掘效率。同时，合理的围岩抽采层布孔，可实现煤矿井下一孔多用。因为此工艺对于任何煤体结构的储层都适用，除了煤层顶底板直接为强水敏性泥岩外，对任何岩性顶底板都适用。

图5 截流围岩及邻近层瓦斯

2 中马村矿概况

焦作中马村矿位于河南焦作东北部8 km，是焦作煤业(集团)下属的重点煤矿之一。矿井始建于1955年9月，1970年7月投产。核定生产能力110万t/a，开采二1煤层。二1煤层属稳定煤层，结构较为简单，位于山西组下部，煤层厚0.10～13.53 m，平均厚度5.90 m。二1煤层顶板主要由砂质泥岩、泥岩、粉砂岩和砂岩组成，局部具炭质泥岩伪顶，最厚可达1.58 m，顶板较平整，裂隙不发育；底板主要由泥岩、粉砂岩组成，局部具炭质泥岩伪底，最厚可达3.00 m，岩性松软。

3 现场试验

3.1 试验区情况

3.2 钻孔布置

ZM27011X01围岩抽采层顶板顺层钻孔布置在27回风巷，钻孔开孔高度1 m，设计钻孔长度100 m，实际完成钻孔长度110 m，方位角NE58.87°，倾角+1.37°，设计封孔长度40 m，实际封孔31.5 m，孔径94 mm，终孔距煤层垂距3 m，封孔段里端距煤层5 m，钻孔布置如图6所示。

图6 围岩抽采层一孔多用钻孔布置图

3.3 围岩改造孔效果分析

为了提高围岩抽采钻孔的抽采效果，8月13日中马村矿针对围岩抽采钻孔进行了水力压裂改造。压裂时间85 min，最高压力23.4 MPa，最大流量为0.78 m3/min，累计注水量为49.4 m3。0.5～1.5 min，压力从2.4 MPa升至23.4 MPa，后降至19.2 MPa，提示煤层顶板岩石开始破裂产生新的裂缝；2～6 min，压力保持在17～19 MPa之间，显示有一些微裂缝仍在产生，裂缝在逐渐扩展。根据已施工钻孔的出水情况判定水力压裂的影响范围宽约50 m，长约65 m。

3.4 采前预抽效果分析

ZX24011X01孔的影响孔共12组、51个孔，8月15日-9月3日共计抽采瓦斯纯量为16067.3 m3，即平均每天的抽采纯量为803.4 m3/d，是水力强化前抽采纯量117.48 m3/d的7倍。强度抽采量为0.044 m3/(t·d)，影响范围长65 m，宽50 m，抽出瓦斯约0.044 m3/(t·d)。抽采曲线如图7所示。

图7 一孔多用钻孔影响范围孔组16-18抽采曲线

3.5 采中抽采预测

ZM27011X01孔布置在煤层的顶板，工作面前方由近及远依次形成应力降低区、应力增高区和原岩应力区。应力降低区一般覆盖工作面前方 15 m 范围内，煤层卸压，煤岩体内裂隙发育，瓦斯压力降低，煤层透气性显著增加，钻孔瓦斯抽采流量开始大幅度提高，工作面回采时，工作面前方的煤层卸压促进了瓦斯抽采，围岩抽采钻孔抽采有效地减少了工作面瓦斯的涌出，保证了工作面回采的安全，也可以有效地防止工作面上隅角瓦斯超限。

4 结论

(1)提出了井下钻孔一孔多用抽采技术，即先后实现地质探孔、采前水力压裂抽采、采中卸压抽采、采后采空区抽采以及截流围岩和邻近层瓦斯等功能。

(2)以中马村矿27011工作面为对象，进行了煤矿井下一孔多用技术抽采试验研究，研究结果表明: 井下钻孔一孔多用技术在采前水力压裂抽采阶段，抽采纯量提高了7倍，20 d抽采瓦斯约1.6万m3，取得了良好的抽采效果。

(3)由于ZM27011X01一孔多用钻孔布置在煤层顶板，主要考虑钻孔的稳定性和煤层的渗透性改造，所以钻孔布置的层位选在了煤层顶板上方3 m左右，在煤层回采后，钻孔会发生坍塌，无法实现采后抽采采空区瓦斯的作用。下一步研究一孔多用钻孔的布置层位，从而实现采前、采中和采后的三个时期的瓦斯抽采。

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Applicationresearchonmulti-applicationdrillingtechnologywithsurroundingrockdrainageboreholeinZhongmacunMine

Jing Fuxing1, Li Feng2, Wu Yongming1

(1.Zhongmacun Mine, Jiaozuo Coal Company, Henan Energy Chemical Industry Group Co., Ltd., Jiaozuo 454003, China; 2.Henan Energy Chemical Industry Group Research Institute Limited Company, Zhengzhou, Henan 450046, China)

Based on the actual condition of 27011 work face of Zhongmacun Mine, the gas drainage technology with multi-application drilling for underground boreholes was proposed by theoretical analysis and was applied into industrial field test. The results indicated that multi-application drilling technology for hydraulic fracturing was successfully carried out on surrounding rock. The influenced range was 65 meter on length and 50 meter on width. The average gas drainage volume was 803.4 m3/d in pre-mining drainage period within the scope of influenced range, which is 7 times of that before hydraulic fracturing.

multi-application drilling, hydraulic fracturing, gas drainage

敬复兴，李锋，武永明. 中马村矿围岩抽采钻孔一孔多用技术应用研究[J].中国煤炭，2017,43(12)：155-158.

Jing Fuxing, Li Feng, Wu Yongming. Application research on multi-application drilling technology with surrounding rock drainage borehole in Zhongmacun Mine[J]. China Coal, 2017，43(12):155-158.

TD712.6

A

敬复兴(1982-)，男，河南焦作人，硕士，工程师，中马村矿防突科科长，现从事一通三防工作。

(责任编辑 张艳华)