综合水力化增透措施在豫西“三软”煤层的工程应用探讨

李 磊

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037；2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆市沙坪坝区，400037)

煤层透气性是衡量煤层可抽性的重要依据，也是影响瓦斯抽采效果的重要指标。增加煤层透气性进行高效抽采是松软低透煤层防突的重要手段，目前常用的水力化增透措施主要有水力冲孔、煤层注水、水力压裂、水力割缝、水力扩孔等。对于采用水力冲孔进行增透作业的豫西典型低透气性“三软”煤层的告成煤矿，增透孔洞的瓦斯积聚及对煤层顶、底板构造的劣化影响也是增透措施选择的重要因素。为解决目前水力冲孔工效低、增透后衰减快及安全问题，2017 年在告成煤矿25011下副巷掘进条带区域进行了水力冲孔、水力压裂、水力扩孔增透应用试验。

1 水力化增透措施基本机理

煤层水力压裂以大于煤层滤失速率的注入量和破裂压力的压力，将水沿煤层结构弱面或原生裂隙注入，利用煤体的非均质性和各向异性，在水压力和地层温度的联合作用下， 煤体原始地应力平衡被破坏，煤体不仅会发生弹性应变而且会使煤层产生抗拉破坏或剪切破坏，导致裂隙产生、原生裂隙扩大、裂隙导通。同时由于煤层透气性增加，煤层瓦斯渗流表面积增加、煤层内瓦斯渗流向径向流转变为拟径向流，瓦斯解析速度、运移速度增加，提高煤层瓦斯抽放效率。

水力扩孔是用分割器产生高压水射流的旋转对钻孔周围煤体进行切割，在钻孔周围形成一定深度的扁平缝槽，同时利用射流水的回流作用将切割下来的煤屑排出孔外。高压水射流缝形成较深的卸压、排瓦斯钻孔槽，能使煤层的原始应力重新分布，采用高压水割缝措施后，圆盘状槽缝增加了煤体内的暴露面积，在射流作用半径内起到了保护层作用。松软煤层强度低，在高频脉冲扩孔高压水流作用下，高压水射流半径内的上部煤体在自重作用及地应力作用下周期性塌滑、位移，煤体颗粒经历位移重组的过程，三轴应力失衡后的煤体间隙增大；射流半径内的上部煤体在塌滑、位移过程中对比邻煤体产生剪切、弯拉破坏，有利于比邻煤体孔隙率的提高。

2 综合水力化措施实施

2.1 应用地点概况

综合水力化措施应用地点为郑煤集团告成煤矿25011下副巷掘进区域条带。告成煤矿属煤与瓦斯突出矿井，25011下副巷沿突出煤层二1布置，工作面所在区域煤层倾角为2°～12°，平均倾角8°；煤层厚度0.2～8.4 m，平均厚度4.5 m。瓦斯含量为3.56～10.94 m3/t。煤层呈粉状、鳞片状，组织疏松，高分散相、高吸附性、低强度、易碎、低透气性。直接顶主要为泥岩，直接底为砂质泥岩。属典型的豫西“三软”煤层。底板巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯是告成煤矿区域防突措施，采用水力冲孔作为主要增透措施，水力冲孔以静压力为动力，压力6 MPa左右，按区域措施控制煤量的2.5%～3.0%控制冲孔煤量，单孔冲孔施工时间为5.5～7.0 h。

2.2 水力化增透方案及钻孔布置

根据煤层瓦斯含量的不同，将25011下副巷划分为8个块段，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ块段为瓦斯含量小于10 m3/t块段，底板巷穿层钻孔控制巷轮廓线外各15 m范围，采用水力压裂增透；Ⅱ、Ⅵ块段瓦斯含量大于等于10 m3/t，Ⅳ、Ⅷ块段为地质构造带，底板巷穿层钻孔控制范围均为巷道轮廓线外各30 m，如图1所示。Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅷ块段采用水力压裂、水力扩孔综合增透措施。

图1 工程区域网格划分

以25011下副巷轮廓线内为目标，沿煤层赋存稳定区域(断层影响区以外40 m)每隔40 m布置一个水力压裂钻孔进行大范围区域增透，压裂孔按照Ⅰ～Ⅷ块段依次编号。压裂结束后，在瓦斯含量小于10 m3/t区域按10 m×10 m布置钻孔，煤层地质构造区域按6 m×6 m布置钻孔，瓦斯含量大于10 m3/t的区域按钻孔间距8 m×8 m布置，Ⅰ～Ⅷ块段抽采钻孔与扩孔钻孔间隔布置。钻孔布置如图2、图3所示。

2.3 水力化增透措施实施

先进行水力压裂施工，然后施工预抽钻孔，最后在对应区域进行水力扩孔施工。所有钻孔孔径均为94 mm。选用BYW315/55型高压柱塞泵、ø51 mm高压管、压力表、流量计等。

每个钻孔泵注压力控制在25～30 MPa。压裂施工时间为3.18～4.80 h，单孔注水量为64～90 m3。压裂结束后保压3 d或压力低于2.0 MPa时保压结束并放水。保压结束后采用钻孔取样实测煤层含水量并整理压裂前煤层含水量，通过距离平方反比法分别绘制含水量等值线图。压裂结束保压期间、保压结束放水后，在25011下底抽巷分别对垂直中线左偏30°、垂直中线左偏60°、垂直巷顶及垂直中线右偏45°进行瞬变电磁法物探，编制了压裂目标区25011下副巷轮廓线范围内的煤岩层瞬变电磁视电阻率断面图。压裂结束后，对压裂目标区25011下副巷轮廓线范围内的煤层取样并测定其瓦斯含量，通过距离平方反比法利用Surfer软件分别编制了目标区域压裂前后煤层瓦斯含量等值线图。利用压裂目标区含水量等值线图、瞬变电磁视电阻率断面图在压裂前后的变化分析水力压裂作用半径，根据压裂目标区煤层瓦斯含量在压裂前后的对比分析水力压裂在防突方面的效果。

图2 钻孔布置平面图

图3 钻孔布置剖面图

钻孔用ø75 mm PVC管对岩孔段全程护壁，煤孔段全程用筛管护壁，成孔后24 h内用水泥浆进行岩孔段封孔，封孔后间隔24 h用钢丝软管并网抽放。每列钻孔安装一个孔板流量计，通过汇流器与抽采支管相连。并网抽放后，每2 d进行单孔浓度、负压测量，每天进行汇流器浓度、负压、压差测量并计算流量。每列预抽钻孔浓度、流量出现明显衰减时，采用钻扩一体工艺进行扩孔作业，水力扩孔压力控制在25～30 MPa左右，按照钻孔设计影响半径内煤量2.5%控制出煤量。

单孔水力扩孔作业时间为3.4～4.3 h，作业过程中90%以上钻孔出现强烈喷孔现象。

25011下底抽巷为负压通风，巷道配风量为675 m3/min。巷道内共布置了4台钻机同时作业，施钻作业中安装了气水煤分离器，钻孔气体通过低负压抽放管路系统分离，增透作业错时施工。

3 水力化增透措施效果考察

3.1 水力化增透措施实施中瓦斯涌出量统计

水力化增透措施过程中，巷道配风量为675 m3/min。水力压裂过程中，巷道风流中瓦斯浓度几乎没有变化。水力扩孔增透时，每个钻孔作业时间在3.4～4.3 h之间，施工过程中风流中瓦斯浓度增量为0.12%～0.26%；抽排流量0.82 m3/min，抽排浓度1.0%～6.28%；喷孔时钻孔回风侧最大瓦斯浓度1.6%。水力扩孔作业中，风排瓦斯量为173.61～452.79 m3，抽排瓦斯量1.95～13.29 m3，喷出瓦斯量72.35～238.06 m3，施工排出瓦斯175.56～704.14 m3。水力化措施区域孔板瓦斯浓度曲线如图4所示。

3.2 水力化增透措施后抽放流量分析

该次水力化增透工程应用中，采集每组钻孔的孔板浓度、流量测量数据对比矿井水力冲孔效果，水力冲孔区域的单孔浓度、孔板浓度、流量小于水力扩孔区域，水力冲孔区域的单孔浓度、孔板浓度在始抽7～10 d后明显衰减，水力扩孔区域衰减出现在35～40 d以后，且衰减幅度较小。水力扩孔区域每组钻孔流量普遍较水力冲孔区域每组钻孔流量大0.0084～0.1014 m3/min，每组钻孔流量差随着浓度衰减差增大而增大。水力化措施区域瓦斯流量曲线如图5所示。

抽放流量的衰减一方面受水力化措施影响半径的影响，另一方面受煤层顶、底板泥岩的膨胀特性影响，水力化措施增加了煤层顶底板的含水率，加剧了泥岩的膨胀速率，并逐步挤压水力化增透后的煤体，煤层透气性因地应力增加又逐步降低。

图4 水力化措施区域孔板瓦斯浓度曲线

图5 水力化措施区域瓦斯流量曲线

3.3 水力化增透措施半径分析

水力压裂区煤层含水量等值线如图6所示。由图6可知，水力压裂后目标区域煤层含水率增加1%～2%。压裂后保压期间视电阻异常低阻区较正常值低7～13 Ω·m，分别集中在垂直巷顶左偏30°深度30～40 m、垂直中线左偏60°深度50～70 m、垂直巷顶深度20～30 m区域，为压裂目标煤巷条带。异常低阻区呈近圆形、椭圆形，直径20～25 m。综合水力压裂前后煤层含水量等值线、瞬变电磁视电阻率断面图分析，水力压裂影响半径达25 m。异常高阻区位于80～120 m、520～560 m，分别是4#压裂孔、13#钻场压穿后压裂液滤失过大所致。保压期间水分下渗至煤层底板，保压放水后煤层底板视电阻率值较保压期间低22～69 Ω·m。综合压裂前后煤层含水量、瞬变电磁视电阻率，可知水力压裂作用半径达到20～25 m。

水力扩孔每米钻孔冲出煤量1 t，扩孔后钻孔等效半径可用式(1)表示。

式中：m——冲出的煤量，t；

γ——煤的视密度，t /m3；

d0——冲孔前钻孔孔径，m；

l——水力冲孔见煤长度，m。

按每米钻孔水力扩孔共冲出煤量1 t，原始钻孔孔径为94 mm，煤的密度以1.4 t/m3来计算，则扩孔后钻孔等效孔径为96 cm。

经统计，水力扩孔作业中，50%以上的相邻钻孔有出水或出煤屑情况，同时，扩孔作业后相邻钻孔抽放浓度增加，扩孔作业设计最小孔间距为6 m，可知水力扩孔影响半径达到6 m。

3.4 水力压裂后煤层瓦斯含量分析

水力压裂前后煤层瓦斯含量等值线如图7所示。由图7可知，水力压裂前后，对目标压裂区控制的巷道轮廓线两侧各30 m范围煤层取样。实测二1煤层瓦斯含量平均降低约1～2.5 m3/t。通过瓦斯含量等值线，水力压裂后目标区域瓦斯含量降低1～3.5 m3/t。

图6 水力压裂区煤层含水量等值线图

图7 水力压裂前后煤层瓦斯含量等值线图

4 结论

(1)综合水力化措施能有效解决豫西“三软”煤层区域消突、增透的问题。水力压裂能在短期内使压裂区煤层瓦斯含量平均降低约1～2.5 m3/t。水力冲孔、水力扩孔通过排出煤量改变措施区应力状态，使煤层卸压、透气性增大，施工期间单孔瓦斯涌出量达到175.56～704.14 m3。

(2)“三软“煤层增透方面，水力压裂+水力扩孔综合增透措施效果优于水力压裂、水力冲孔单一化水力化措施。水力压裂半径作用达到20.0～25.0 m，水力扩孔影响半径达到6 m。水力压裂后钻孔抽采浓度无显著提升，水力冲孔后钻孔抽采浓度增加3～6倍，浓度、流量衰减期较普通钻孔延长1.5～2.5倍。水力压裂+水力扩孔综合增透后钻孔抽采浓度较普通钻孔、水力冲孔分别增加4～7倍、1.1～1.3倍，浓度、流量衰减较普通钻孔、水力冲孔分别延长3～5倍、1.2～2.0倍。

(3)水力扩孔增透影响半径随排出煤量增加而增加，过大排煤量产生的煤层孔洞引起的瓦斯积聚及煤层顶、底板劣化等安全问题，为后期巷道掘进中瓦斯管理及支护管理带来较大影响。合理确定扩孔排煤量是水力扩孔增透措施效果的关键。