井巷揭煤地面预抽辅助消突技术

张东亮



井巷揭煤地面预抽辅助消突技术

张东亮

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

井巷如何安全、高效揭穿突出煤层是防突工作不断探索的课题，地面预抽煤层瓦斯辅助消突不失为一种有效的解决途径。基于井巷揭煤突出机理和防突核心任务分析，研究了地面预抽辅助消突技术特点和适应性。工程应用表明，采用洞穴完井和水力压裂强化预抽，可有效降低井巷揭煤区煤层瓦斯含量和瓦斯压力，使揭煤区应力释放或泄压，破坏煤与瓦斯突出的物质基础和动力来源，从而变突出区域(煤层)为非突出区域(煤层)。地面预抽煤层瓦斯能够有效降低井巷揭煤防突工作难度，提高揭煤效率，适合复杂地质条件下石门、井筒揭煤防突工作。

井巷揭煤；煤与瓦斯突出；地面预抽；辅助消突

煤与瓦斯突出是煤矿生产和掘进过程中引发的一种工程地质灾害，严重威胁矿井安全生产和井下人员的生命安全[1]，防治煤与瓦斯突出是突出矿井生产建设的首要任务之一。由于岩石井巷揭煤的特殊性，发生煤与瓦斯突出的概率最大[2-3]，其突出的强度和造成的危害也较井下其他条件下的大[4]。井巷揭煤包括石门、竖井和斜井的揭煤。以往井巷揭穿突出煤层，主要采用“四位一体”的综合防突措施[5-7]，采用的技术工艺有钻孔抽排、预裂爆破、水力冲孔等[8-10]，这些方法和措施主要集中在井下，由于工作空间受限，防突工作存在工期长、工序复杂、安全系数低等问题。随着矿井开采深度的不断增加，地应力、瓦斯含量和瓦斯压力也随之增大，井下防突工作的难度也不断加大，井巷如何安全、高效揭穿突出煤层仍是煤矿安全领域不断探索的课题。

实践证明，地面预抽煤层瓦斯是矿井瓦斯治理的有效方式[11]。地面预抽辅助消突，其思路是在井巷揭煤前，通过地面钻井和储层强化预抽揭煤区域瓦斯，降低甚至消除突出威胁，为井巷快速揭煤创造条件。与井下防突措施相比，地面预抽工程在地面完成，安全性高，几乎不受时间和空间限制，在揭煤区域确定的情况下可提前数年开展抽采和消突工作，技术优势明显。笔者将地面预抽技术与井巷揭煤消突工作相结合，通过钻完井、储层强化技术设计，开展石门、井筒揭煤辅助消突技术方法研究，以期为井巷揭煤防突工作提供借鉴。

1 井巷揭煤防突的核心任务

1.1 井巷揭煤突出机理

煤与瓦斯突出是煤层中储存的瓦斯能和应力能的失稳释放[3]，是一种复杂的地质动力现象。一般认为，煤与瓦斯突出受煤体性质、瓦斯和地应力3方面因素的控制[12-13]，含高压瓦斯且受到严重破坏的构造煤(主要是碎粒煤和糜棱煤)是突出发生的物质基础，构造作用，特别是地应力是突出发生的动力基础，构造破坏带和构造应力集中地带是发生煤与瓦斯突出的主要位置和敏感区[13]，一切由震动产生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激发条件[14]。

井巷揭煤突出是含高压瓦斯的构造煤在特定构造和应力场环境下发生的动力灾害。在石门或井筒揭露突出煤层时，在有利的约束条件(工作面前方岩柱)下，瓦斯突出煤体内地应力和瓦斯压力梯度增大，形成应力集中并集聚很大的变形能，在爆破或掘进等作业因素诱导下，地应力状态的突然改变导致极限应力状态的煤体突然破坏并发生突出，煤体破碎剥离瞬间解吸的大量吸附瓦斯形成“瓦斯风暴”流参与突出，从而在极短时间内将大量煤岩和瓦斯抛向工作空间[3]。其中，地应力和瓦斯压力分别为突出的发生和发展提供了动力，煤的破碎程度、瓦斯含量和解吸量、瓦斯放散初速度等对“瓦斯风暴”的形成起决定作用。

1.2 防突的核心任务

在井巷揭煤过程中，严重破坏的构造煤体、应力场环境、瓦斯赋存状态(瓦斯含量和瓦斯压力)是控制突出发生的核心要素。在这些控制要素中，可以通过人为方式改变构造煤体所处的突出应力场环境和瓦斯赋存状态，变突出区域(煤层)为非突出区域(煤层)，从而达到消突的目的。

a.改变突出的应力场环境 利用煤岩体较为软弱的特性(高泊松比和低弹性模量)，通过一定的完井措施，使煤岩体在地应力作用下发生形变和破坏，应力释放，减小揭煤区域因应力集中而聚集的变形能，消除突出的动力基础。

b. 改变突出瓦斯的赋存状态 通过储层强化和抽采泄压等措施，降低瓦斯压力和瓦斯含量，使之满足非突出赋存状态要求(残余瓦斯压力低于0.74 MPa或残余瓦斯含量小于8 m3/t)[7]。

2 地面预抽辅助消突技术

地面预抽辅助消突就是通过储层强化(包括洞穴完井、水力压裂等)和预抽措施，改变构造煤体所处的突出应力场环境和瓦斯赋存状态，在一定程度上消除煤与瓦斯突出的物质基础和动力来源。

2.1 洞穴完井辅助消突技术

洞穴完井是在裸眼完井的基础上发展起来的一种重要的煤层气完井方式和储层强化措施。该技术通过人工动力、机械扩孔和高压水射流等[15]措施在裸眼煤层段造穴，洞穴周围形成应力集中，使作用于煤层的应力场重新分布，应力集中导致煤体在单项负荷作用下向洞穴移动(垮塌)，并随着应力释放向深部扩展，其影响半径范围可达数十米[16-17]，由此产生的剪切裂隙、引张裂隙等与煤层中原有的内外生裂隙沟通(图1)，从而提高近井地带渗透性，达到储层强化的目的。

图1 裸眼洞穴周围应力分区和裂隙发育概念图(据苏现波等[16]，王成明等[18]，修改)

在煤层中造穴打破了原岩应力平衡，形成泄压区和应力集中带，应力集中导致煤岩体自洞穴周边向深部发生一系列弹塑性变形，围绕洞穴形成极限平衡区(包括破碎带、塑性应力区)、弹性应力区和原岩应力区[18]。极限平衡区内的煤岩体由非稳定状态向平衡稳定状态转化，使围岩不断沿薄弱面和破坏面发生错动和剪切，新的破坏面不断产生(包括周缘裂隙和引张裂隙)，应力不断释放，并大量消耗因应力集中聚集的变形能。极限平衡区外边界应是应力集中导致煤岩体塑性变形向深部发展的极限位置，超过极限位置，煤岩体又处于弹性应力状态，因此，极限平衡区外边界与应力集中带外边界一致。应力集中带范围可根据洞穴围岩受力状态建立的极限平衡方程推导获得，其外边界到洞穴壁的距离[17]为：

式中为煤层厚度；为层面间的摩擦系数，一般取0.3；为煤体内摩擦角；0为煤体残余强度，可在实验室测定；为上覆岩层岩体密度；为煤层埋深；为调整系数。

从式(1)可知，应力极限平衡区范围大小主要受煤厚、埋深和煤的机械性能等因素影响。煤层越厚越利于形成大的洞穴和较长的诱导裂隙[16]，从而扩大应力释放范围；机械强度较低的碎软煤层由于内摩擦角较小、内聚力较低，更易垮落形成洞穴，有利于应力释放区向深部扩展；埋深越大，应力极限平衡区范围也相应增大[19]。理论上，洞穴周围的应力释放能够使围岩产生大量裂隙，从而提高煤层透气性，煤层越厚、洞穴规模越大，越有利于扩大泄压范围。

对于埋藏深、厚度大的碎软突出煤层，洞穴完井一般可以取得更大的应力释放范围。通过科学布井、洞穴完井和预抽，使应力释放区有效覆盖井巷揭煤区域，改变井巷揭煤区域突出应力场环境和瓦斯赋存状态，可达到降低突出危险性的目的。

2.2 水力压裂预抽辅助消突技术

水力压裂作为一种有效的储层增产措施在煤层气开发领域得到了普遍应用。其原理是利用地面高压泵车(组)通过井筒向煤层段挤注具有特定性能的压裂液和支撑剂，在煤储层中留下一条或多条支撑裂缝，从而有效地连接井筒和天然裂隙，在排水采气时更广泛地分配井孔附近的压降，提升产能[20-21]。

实践证明，水力压裂主裂缝半长可达数十米甚至上百米[21]。煤层气井水力压裂后，经过不断排水降压，煤储层压力持续下降，当储层压力低于临界解吸压力时，瓦斯开始解吸并经裂缝随水流进入井筒，随着抽采的持续，最终在以井筒为中心的煤储层段形成一个不断扩大的压降漏斗区[22]，大量的瓦斯解吸并产出井口。研究表明，水力压裂强化的煤层气井经过一段时间的抽采，可有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，在一定范围内可以达到消突的目的，预抽消突时间与单井日产量之间呈负指数关系增长[23]，单井抽采量越高，预抽消突时间越短。而瓦斯抽采的强度一般随距井眼距离的增加而降低，近井地带(井眼周围0~40 m半径范围)，由于裂缝宽度最大，导流能力强(水力压裂的支撑剂颗粒一般都沉积在近井地带[24])，煤层瓦斯解吸和抽采最为充分，是最早实现消突的区域。

实际上，井巷揭煤区范围较小，在揭煤区域确定的情况下，可以通过合理的钻井轨迹设计和水力压裂，对揭煤区提前进行1~3 a甚至更长时间抽采覆盖，变突出区域为非突出区域。

3 工程应用

3.1 谢一矿石门揭煤洞穴完井辅助消突实践

淮南矿区谢一矿为典型的煤与瓦斯突出矿井，瓦斯含量13~18 m3/t，瓦斯压力2.0~6.8 MPa；井下实测最大主应力值31.2 MPa[25]；加之碎软煤层发育，煤与瓦斯突出灾害严重，已发生中–特大型突出事故十余起。由于地应力高，瓦斯含量和压力高，井下钻孔施工难度大，“喷孔”严重，抽采效果不佳，石门揭煤突出危险系数大，井下措施已不能完全满足防突需要。为了降低消突工作难度，缩短揭煤工期，对–960 m轨道石门揭B11煤层区域(煤厚约6.4 m)采用地面洞穴完井辅助消突。

在石门揭煤区域设计布置2口定向井(T01和T02)和1口多分支水平对接井(T03)(图2)。其中，两口定向井为洞穴井，落点位于石门揭煤点的两侧，相距约15 m；多分支水平井落点位于–960 m轨道石门上方的巷道中线上，并在B11煤层中侧钻形成两个分支，分别与T01和T02井对接。钻井和固井结束后，采用机械扩孔、高压水射流冲刷和空气动力3种方法相结合的方式，分别对T01和T02井B11煤层段进行造穴作业，其中机械扩孔最大孔直径为500 mm，空气动力最大放喷压力8 MPa。T01井造穴出煤粉量约171 m3，T02井造穴出煤粉量约131 m3，经粗略估算，相当于分别形成了半径为3.0 m和2.5 m的圆柱形洞穴。造穴完成后，对T01和T02井分别进行瓦斯抽采，共计抽采瓦斯量4.75万m3。

由于洞穴井距离近(约15 m)，造穴作业过程中井间相互沟通，加之与T03井对接和瓦斯抽采，使石门揭煤区域应力得到释放，泄压明显。井下钻孔测试显示，经过洞穴完井和预抽，瓦斯压力由原始的6.8 MPa下降到0.2~4.5 MPa，瓦斯含量由18 m3/t下降至13 m3/t[26]，井下钻孔未再次出现严重喷孔现象，有效降低了井下揭煤防突难度，提高了揭煤效率。

图2 淮南谢一矿石门揭煤洞穴完井辅助消突示意图

3.2 官寨煤矿井筒揭煤辅助消突预测

贵州官寨煤矿属于筹建矿井，煤层发育具有“层数多、总厚度大”的特点，共含可采煤层10层，各层平均煤厚0.9~2.6 m。受井田大型断层带影响，各煤层均遭受不同程度的构造破坏，碎软低渗煤层(特别是碎粒煤和糜棱煤)较为发育，可采煤层试井平均渗透率低于0.10×10-3μm2。各煤层均为无烟煤，吸附能力强，瓦斯含量高，埋深超过200 m，瓦斯含量一般超过8 m3/t，最大达24.90 m3/t，瓦斯压力0.80~2.25 MPa。由于瓦斯含量高、压力大，加之煤质碎软，各煤层均具有突出危险性。

官寨煤矿采用“斜井+立井”联合开拓，主斜井、副立井所在的大型断层带(F2和F14断层带)是突出的危险地带(图3)，井筒揭露具有突出危险性煤层时，在前方岩柱的有利约束下，工作面前方会形成应力集中和能量聚集，在措施不到位的情况下，极易发生突出事故。为了降低未来井筒揭煤防突工作难度，提高揭煤效率，对副立井和主斜井分别设计采用洞穴完井和水力压裂预抽技术进行辅助消突。

3.2.1 副立井揭煤洞穴完井辅助消突

副立井位于南二盘区F14、F13和Fx断层切割的断块位置，设计深度546 m，截面宽约4 m，揭穿煤系与茅口灰岩大巷贯通。井检孔资料显示，井筒揭穿厚度较大、具有突出危险性的煤层8层，煤厚0.80~4.99 m，瓦斯含量8.98~16.31 m3/t(表1)，瓦斯压力1.06~1.78 MPa，受断层影响，各可采煤层以碎粒煤和糜棱煤为主。

图3 贵州官寨煤矿井主斜井、副立井位置示意图

表1 贵州官寨煤矿副立井井筒揭煤参数表

在副立井揭煤区两侧同一直线上设计布置2口垂直井，2井距井筒法线距离均为10 m(图4a)，垂直井揭穿所有煤层后继续施工50 m口袋。钻井和套管完成后，分别采用“机械扩孔+高压水射流+空气动力”组合方式对两口井揭露的具有突出危险性的2、4、6、10、11、12和15号等煤层进行洞穴完井。

造穴过程中，尽可能扩大洞穴的规模并使井间同一煤层洞穴沟通，使应力释放，再通过抽采扩大卸压区范围并覆盖揭煤区域；原则上，煤厚0.8~2.0 m的煤层，洞穴直径不小于2.0 m，煤厚3 m以上的煤层洞穴直径不小于4 m。单井多层煤的洞穴完井，采用自下而上的顺序进行，下部煤层造穴完成后，在洞穴中填满粗砂，在上、下煤层之间下入可钻式桥塞封隔；下部井断造穴完成后，开始上部煤层的造穴作业，直至所有突出煤层全部完成造穴作业，形成一个由井眼相连的“串珠”状洞穴；造穴作业全部完成后，下钻扫除可钻桥塞，通井后，在井口安装抽油机进行瓦斯合层抽采(图4a)。

图4 贵州官寨煤矿副立井洞穴完井及抽采效果预测图

采用CBM-SIM数值模拟软件，对洞穴完井后各煤层抽采效果进行预测，经过330 d抽采，抽采总量达10.82万m3，揭煤区域卸压，残余瓦斯含量降至7.16~12.00 m3/t，突出危险性大大降低(表2，图4b)。

表2 贵州官寨煤矿副立井洞穴完井预抽效果预测表

3.2.2 主斜井揭煤水力压裂辅助消突

主斜井揭煤区位于北二盘区F2正断层下盘(图3)，井筒倾角21.5°，斜长1 380 m，断面宽约4 m，揭穿煤系与茅口灰岩中的大巷贯通。井检孔资料显示，揭露的2号、5号、9号和11号煤层为构造煤，瓦斯含量9.64~17.21 m3/t，瓦斯压力0.79~1.27 MPa(表3)。

设计在井筒揭煤区布置“U”型井组，由1口定向井和1口直井对接，其中，定向井井眼轨迹位于主斜井井筒轨迹下方5~10 m，与主斜井井筒揭煤段轨迹平行(图5)。首先施工垂直井(兼做参数井)，再施工定向井与垂直井对接。钻完井结束后，在定向井段采用泵注桥塞电缆射孔压裂联合作业技术[27]对2号、5号、9号、11号煤层进行射孔和分段压裂。压裂完成后，对揭露的其他煤层全部射孔打开，在直井井口安装抽油机进行抽采(图5a)。

表3 贵州官寨煤矿主斜井揭穿煤层参数

2015年，官寨井田实施了地面瓦斯抽采试验(GZ-01井)，获取了储层基础参数和气井生产动态数据。根据这些生产数据，采用数值模拟方法进行历史拟合获取的煤储层渗透率、储层压力等参数，更加真实地反映官寨井田的储层地质条件，这些参数可以用来对主斜井抽采效果进行预测。数值模拟结果显示，主斜井采用定向井水力压裂方式进行瓦斯抽采1 a，近井地带(井眼周围30 m范围)瓦斯含量降至5.6~7.4 m3/t，满足主斜井开挖20 m范围内瓦斯含量低于8 m3/t的要求[28]，主斜井揭煤突出危险性大大降低(图5b)。

图5 主斜井揭煤水力压裂及抽采效果预测图

4 结论

a. 防突工作的核心任务是通过工程技术措施改变构造煤体所处的突出应力场环境和瓦斯赋存状态，消除突出发生的动力来源和物质基础，变突出区域(煤层)为非突出区域(煤层)。

b.在煤层中造穴，可以改变构造煤体所处的突出应力场环境，减小因应力集中而聚集的变形能，使洞穴周围一定范围内应力释放并卸压，从而减小突出发生的动力来源；煤层越厚、洞穴规模越大越利于取得大范围的应力释放和卸压。煤层气井近井地带(0~30 m半径)水力压裂形成的支撑裂缝宽度最大，导流能力最强，煤层瓦斯解吸和抽采最为充分，是最易实现消突的区域。工程实践表明，将洞穴完井或水力压裂预抽形成的应力释放区或压降范围有效地覆盖井巷揭煤区域，经过一段时间的抽采，降低了煤层瓦斯含量和瓦斯压力，在一定程度上可降低突出危险性甚至达到消突的目的。

c.地面预抽辅助消突技术安全性高，可有效降低井巷揭煤防突工作难度，提高揭煤效率，是井下防突措施的重要补充，适合构造复杂带或深部强突煤层(井下措施难以到位、安全风险大)的井巷揭煤防突工作。

需要指出的是，我国煤矿地质构造复杂多样，采用地面预抽技术开展井巷揭煤辅助消突，要充分考虑安全性和生产接续的紧迫程度，考虑不同抽采技术的适应性与经济性，灵活运用。再者，经过地面预抽辅助消突，仍需要井下开展防突效果检验，对于地面预抽不达标的区域，需布置新的防突措施。

致谢：在本文撰写过程中，王成、茹婷和王正喜等同事给予了支持和帮助，在此表示衷心感谢！

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Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft

ZHANG Dongliang

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

How to expose an outburst-prone coal seam safely and efficiently in tunnel and mine shaft is always a subject to study continuously in outburst prevention, surface coalbed gas pre-drainage is an effective approaches for outburst prevention. Based on the analysis of outburst mechanism in tunnel and mine shaft and the core task of outburst prevention, the characteristics and adaptability of the outburst prevention techniques by surface pre- drainage are studied. Practical engineering application shows that the gas content and pressure in coal exposure area can be effectively reduced using surface pre-drainage well by cavern completion or hydraulic fracturing, the stress or pressure relief and the source and driving force of outburst are weakened after drainage, the seam changed from outburst state to non outburst state. Surface pre-drainage of coal gas can effectively reduce the difficulty of underground outburst prevention and improve coal exposure efficiency, therefore, can be used for outburst prevention during coal exposure in cross-cut and shaft with complicated geological conditions.

surface gas pre-drainage; outburst prevention; coalbed exposure in tunnel and mine shaft

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Reserch Institute of CCTEG(2017XAYZD17)

张东亮，1982年生，男，河南平顶山人，助理研究员，硕士，从事煤层气勘探开发与煤矿瓦斯治理工作. E-mail：zdl21025@126.com

张东亮. 井巷揭煤地面预抽辅助消突技术[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：49–55.

ZHANG Dongliang.Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：49–55.

1001-1986(2019)03-0049-07

TD82

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.009

2018-09-11

国家科技重大专项课题(2016ZX05045-002)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2017XAYZD17)

(责任编辑 范章群)