低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

2018-12-07崔德伟

山东煤炭科技 2018年4期

崔德伟

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西长治 046000）

1 工作面工程地质概况

夏店煤矿3116工作面是31采区的第十三个工作面，由于陷落柱X2的影响，3116工作面划分为3个回采面。3116工作面（里）可采长度483m，倾斜长210m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外1）可采长度140m，倾斜长130m，平均煤厚5.7m；3116工作面（外2）可采长度247m，倾斜长210m，平均煤厚5.7 m。工作面巷道布置示意图见下图1所示。3116工作面所采3#煤层老顶为细砂岩，厚度5～15m。直接顶为泥岩，厚度1～3m。伪顶为灰质泥岩，厚度0.3～0.5m，为黑色夹浅煤。直接底为泥岩，厚度0.8～1.4m。老底为细砂岩，厚度6.8～9.01m。回采期间瓦斯绝对涌出量预测最大值为14.6m3/min，为高瓦斯矿井，瓦斯抽放率30%，煤尘具有爆炸危险性。现场高压注水驱替促抽治理瓦斯试验在夏店矿+770m水平31采区3116工作面回风顺槽开展，即3116工作（外2）回巷区域。主要注水试验点为48～54#抽采钻孔联孔区域、81～90#抽采钻孔联孔区域及105～112#抽采钻孔联孔区域。

2 工作面瓦斯治理综合技术

3116工作面掘成时间2016年9月15日，工作面煤层原始瓦斯含量为2.5～7.8m³/t，属于二级瓦斯管理区域。3116工作面原始瓦斯含量起伏较大，里段瓦斯含量相对较低，因此只在工作面外段400m范围进行本煤层钻孔预抽。3116工作面（里）和3116工作面（外1）只在回采期间进行裂隙带钻孔和上隅角埋管抽采；3116工作面（外2）回采前进行本煤层预抽，回采期间进行回巷裂隙带钻孔和上隅角埋管抽采。

（1）采前本煤层预抽。3116工作面外部400m范围进行本煤层预抽，分别在运、回巷施工钻孔200个、130个，设计钻孔深120m、孔间距2m、与巷道夹角90°，钻孔总进尺39600m。回巷预抽钻孔于2016年7月施工完成，运巷预抽钻孔于2016年9月施工完成。

（2）回采期间裂隙带抽采。工作面在回采期间进行裂隙带抽采，在3116回巷距切眼60m处开始施工至3116回巷回风绕道外50m，共施工450个岩孔，总进尺49500m。

图1 3116工作面巷道布置示意图

3 高压注水驱替促抽瓦斯工业试验

3.1 技术原理

针对夏店矿3116工作面低渗透3#煤层存在瓦斯预抽范围小、瓦斯衰减快和抽采效果差等问题，提出注—抽钻孔间隔布置高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。通过注水孔和抽采孔间隔布置，利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用，提高相邻抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量，提高3#煤层瓦斯抽采效果，同时均匀润湿煤层，增大煤体水分，降低回采时粉尘产生量，有效防治矿井瓦斯、煤尘灾害。煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术原理示意图如图2所示。

图2 煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术原理示意图

3.2 试验方案

（1）在煤层1中施工顺层抽采钻孔2、3、4，钻孔交替布置，之后采用封孔材料和抽采管5、6、7封孔，抽采管外径75mm，长度16m，形成钻孔封孔段8、9、10，封孔段长度大于8m，并连接负压抽采管路开始抽采瓦斯。

（2）抽采一定时间后，抽采钻孔的瓦斯流量和抽采浓度显著降低时，即单纯靠延长抽采时间不能达到好的抽采效果，将抽采孔3作为注水孔，基于孔内封孔思路，将膨胀封孔器11插入抽采管6内，封孔器长度1～1.5m，外径55mm，最大工作压力10MPa。

（3）将膨胀封孔器11利用高压胶管12依次与高压阀门13、注水流量计14和高压注水泵15连接，高压注水泵与井下供水管16连接。抽采孔2、4继续与负压抽采管路19、20连接抽采。

（4）利用高压注水泵15向钻孔3实施煤层注水，注水压力6～8MPa，通过注水流量计14观测注水流量和注水压力；注水时通过孔板流量计17、18及抽采管预留观测孔检测钻孔2、4的抽采流量、抽采浓度和负压参数。

（5）注水采用连续注水或间隔注水方式，注水一定时间后，一般为48～96h，注水时间可根据煤层实际条件、钻孔间距及注水压力等综合确定。应保证注入水不能进入抽采钻孔2、4内。将阀门13关闭，注水泵停止注水，封孔器继续膨胀封孔，孔内压力水慢慢渗入煤层。煤层注水驱替促抽治理瓦斯钻孔布置示意图如图3所示，夏店矿实际施工钻孔参数见表1。

图3 钻孔布置示意图

3.3 现场试验

（1）封孔方法

为达到良好的高压注水封孔效果，基于“管内封孔”思想，在瓦斯抽采管内利用专用钢丝膨胀胶管封孔器封孔，可以克服封孔器直接在煤孔里可能引起的封孔不严问题。注水专用封孔器由钢丝膨胀胶管、泄压阀、快速接头组成，封孔器可反复使用数次，注水结束后卸掉压力，封孔器即可恢复原状，取出封孔器。结合瓦斯抽采管参数，设计的封孔器主要参数如表2所示，主要包括外径Ф50mm和Ф55mm两种型号。

表1 钻孔参数表

表2 封孔器技术参数表

（2）高压注水泵

结合夏店矿煤层实际，3116回巷现场煤层注水驱替促抽瓦斯试验选择动压注水方式。注水试验选择精诚3ZSB-105/11型高压注水泵，注水泵动力端同时采用飞溅和强制两种润滑方式，柱塞采用强制冷却方式，配置安全溢流阀和调压阀。泵组配置包括泵、溢流阀、压力调节阀、联轴器、联轴器护罩、矿用防爆电动机、底座等。注水泵为高压柱塞泵，泵轴位置为卧式，驱动方式为电动，柱塞Φ22mm，柱塞数3个，i=3.650，额定转速为400r/min，最大工作压力22MPa。

（3）试验过程

2016年9月～10月主要为试验区域瓦斯抽采参数测定工作，确定最佳注水时机。10月22日之后主要在3116回风巷48～54#抽采孔联孔区域（安装四寸孔板流量计）、81～90#抽采孔联孔区域（四寸孔板流量计）及105～112#抽采孔联孔区域（安装汇流管电子流量计），至12月14日完成现场注水试验。

4 注水驱替促抽瓦斯试验结果及分析

48～54#抽采孔联孔区域完成注水试验3组，注水孔分别为49#、51#和53#孔。

49#孔：累计注水时间40min，注水压力8MPa，预计注水量1.5m3。48#孔单孔浓度10%，注水时提高1.5倍，浓度达25%；50#孔单孔浓度11%，注水时提高1倍，浓度22%。注水时联孔区域瓦斯混合流量提高了近3倍，混合量达0.86m3/min。原单钻孔平均混合量为0.07m3/min，现为0.17m3/min，提高1.4倍。高压注水促抽相邻钻孔瓦斯效果显著。

51#孔：累计注水时间7min，注水压力8MPa，与52#钻孔之间压穿，压力水从52#钻孔流出。50#、52#注水前浓度为11%和12%，注水后浓度提高1倍，浓度分别为18%、25%。

53#孔：累计静压注水85min，注水压力4MPa，动压注水40min，注水压力6.5MPa。注水后54#孔瓦斯浓度由3%提高到20%，提高近6倍。52#孔浓度由12%提高到25%，提高1.1倍。

该区域实施注—抽钻孔间隔布置高压注水促抽瓦斯效果十分明显，尤其是49#注水孔，对相邻48#、50#抽采孔促抽瓦斯明显（见表3），相邻48#、50#抽采孔瓦斯浓度和瓦斯流量均大幅增加，联孔区域瓦斯纯流量增加近5倍，注水促抽瓦斯效果持续周期达10d。