“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术研究

郝建国

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

我国煤与瓦斯突出多发生于石门揭煤和煤巷掘进过程中，其中，以石门揭煤最为危险，其突出煤量一般在数百吨以上，突出瓦斯超过数万方[1]。特别是，石门揭开突出危险煤层，是煤炭生产企业在巷道掘进过程中不得不面对的一项十分危险工作[2]。目前石门揭煤常用的防突措施有：预抽排瓦斯、超前钻孔卸压、水力冲刷、水力冲孔、扩孔钻具卸煤、震动放炮或远距离放炮等[3，4]。这些措施虽然对煤与瓦斯突出起到了一定的防治作用，但是会造成煤体不同程度的破坏，降低了煤体对突出的抵御作用，尤其是对松软破碎煤体的影响更为突出[3]，且存在施工速度慢、施工工期长、安全性低、巷道支护效果差等问题，导致巷道布置和工作面接替紧张，不利于矿井生产布置[4]。

随着煤炭开采深度和强度的不断增加，瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出危险性也不断增大[5]，仅仅采用单一、常规的石门揭煤防突措施还不能够在短时间内降低揭煤区域煤层的突出危险性。因此研究采用“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术，可以克服常规措施的不足，实现安全快速揭煤。

1 矿井概况

盐井一矿井田位于重庆合川区南，矿井设计生产能力为0.90Mt/a。该矿井为煤与瓦斯突出矿井，最大绝对瓦斯涌出量为7.82m3/min，最大绝对二氧化碳涌出量为0.35m3/min，井田内K2、K4、K7煤层均为有突出危险至严重突出危险，瓦斯含量为20～25m3/t，-150m水平瓦斯压力为5.2～6.6MPa，煤层透气性系数为0.021m2/(MPa2·d)，属于典型的高瓦斯压力、高地应力、低透气性、强突出煤层群。盐井一矿主采的K4煤层，松软破碎，普氏系数平均为1.0～1.5，呈条带状结构，层状构造，厚0.25～2.74m，平均厚度1.45m，属于中厚煤层。此次选择在盐井一矿-150m阶段二石门K4煤层进行石门揭煤。

2 “压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术原理

常规的石门揭煤工艺技术只是着眼于煤岩弹性能和瓦斯潜能的释放[2]，而“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术则是从根本上考虑了在突出过程中起决定作用的煤体强度和瓦斯释放条件[6]，综合采用了高压水力压裂、石门固化、预抽瓦斯等“三位一体”防突措施，消除了煤层突出危险性，提高了石门揭煤效率。“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术是一个相互协调、互为补充、互相促进、相辅相成的有机整体，各种技术措施充分发挥各自的技术优势，实现了安全、快速、顺利揭开煤层。

1)“高压水力压裂”适用于类似K4的高瓦斯、高地应力、低透气性的松软破碎煤层[7]。实际压裂过程中，起裂压力不低于20MPa，水力压裂压力控制在24～30MPa之间，当水力压裂压力持续上升至一设定的压力降3MPa以上后，保持压裂至注水量达到预计值或出现压力急剧下降，注水流量急剧上升时停止压裂，期间保持注水流量在200L/min左右。停止压裂后，通过观察孔及周边煤体的渗水情况发现，有效压裂半径可以达到20m以上，完全覆盖到石门揭煤区域，有效增大了煤层透气性系数[8]。

2)在停止“高压水力压裂”之后的48h之内进行“石门注浆固化”，确保在煤体压裂的最大范围内及时进行注浆固化，保证固化效果。“石门注浆固化”是通过向松软煤体中高压压注适应煤层特性的“天固®加固材料”，使加固材料充分渗透于煤体裂隙和孔隙之中，使煤的内表面粘合胶结固化，改变煤的不均质性，使得煤体的强度和承载能力得以加强，起到粘结补强的作用[2]，从而增强煤与瓦斯突出时的阻力[9]。从开始打钻到压注加固材料，石门周围钻孔里的瓦斯得到一定程度的自然排放，减缓或阻止了煤体内压缩瓦斯的势能释放，削弱了瓦斯在突出中的作用[10]，同时送入钻孔内的注浆铁管起到了金属骨架的作用，有效加固了石门周围的煤岩体[11]，形成一个“引力承载圈”，起到承载上覆煤体重力以及巷道周边应力的作用，提高了煤体抵抗外载荷的能力，有效防止了煤体的自然破碎与离层。

3)在完成“石门注浆固化”待煤体稳定之后进行“预抽瓦斯”。“预抽瓦斯”是对石门区域瓦斯进行预抽，降低石门附近瓦斯压力和瓦斯含量[12]，提高煤层的硬度，进一步削弱瓦斯的影响。

3 “压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术

3.1 高压水力压裂

在-150m水平二石门距离K4煤层垂距10m处施工压裂孔，初期设计1个，采用胶囊式封孔器封堵。压裂孔在距巷道底板1m高位置处开孔，为了配合胶囊式封孔器封堵，设计钻孔倾角10°，孔深度21.07m，孔径89mm，钻孔穿透K4煤层进入顶板0.5m，压裂孔布置如图1所示。

图1 压裂孔布置(mm)

采用BRW31.5/200型乳化泵通过压裂孔对K4煤层注水进行高压水力压裂，设备最大工作压力为31.5MPa，当压裂压力持续上升至一设定的压力降3MPa以上后，保持压裂至注水量达到预计值或出现压力急剧下降，注水流量急剧上升时停止压裂。

煤体进行高压水力压裂后，其物理力学性质发生很大变化，瓦斯压力和弹性潜能降低，一定程度上降低了煤与瓦斯突出的危险性[13]；同时，其孔隙裂隙结构系统发生很大变化，裂隙发育更明显，煤体的透气性增加，提高了煤层的渗透率[14]，有利于下一步注浆固化揭煤，提高固化效果；此外，高压水进入煤体裂隙，大大降低了瓦斯放散初速度[15]，增加了瓦斯流动的阻力，进一步降低了煤与瓦斯突出的危险性[4]。

3.2 石门注浆固化

3.2.1 注浆加固钻孔的布置

在石门掘进距煤层法线9.5m时开始布置注浆加固钻孔，顶板上部布置2圈钻孔，内圈钻孔终孔距巷道轮廓线平均约2.1m，外圈钻孔终孔距巷道轮廓线平均约2.9m；左右两侧各布置1排钻孔，终孔距巷道轮廓线2.5m；底部布置1排钻孔，终孔距巷道轮廓线1m；钻孔终孔位置应施工至煤层顶板0.5m处，钻孔终孔间距约为1m左右，平均孔深21m，控制巷道周界5m，共布置钻孔60个，现场施工可以根据需要补孔，石门注浆加固钻孔布置如图2所示。

图2 石门注浆加固钻孔布置(mm)

3.2.2 注浆材料的选择

进行注浆固化的材料主要有两大类：一类是采用常规的水泥浆；另一类是采用高分子发泡材料。常用的反应型高分子发泡材料有聚氨酯和聚脲酸酯两类。其中，聚氨酯材料是易燃材料，强度硬度较低，耐收缩性能和气体阻隔性能一般；而聚脲酸酯材料是难燃材料，相对于聚氨酯强度硬度高，耐收缩性能优异，气体阻隔性能优异[16]。经过比较分析，并结合实际情况选用重庆煤科院自行研发的聚脲酸酯材料：天固®加固材料。该材料粘度低，具有高度的粘合力、极强的渗透性和很好的机械性能，反应放热温度低，密封固化效果突出，反应固化时间为2～5min，并可根据实际工艺要求进行调节。其主要性能参数见表1。

表1 注浆材料性能参数

3.2.3 注浆量的计算

单孔注浆总量M包括注浆孔内的注浆量M1和煤层中渗透扩散的注浆量M2，按式(1)计算：

式中，M为单孔注浆总量，kg；M1为注浆孔内的注浆量，kg；M2为煤层中渗透扩散的注浆量，kg；ρ为浆液密度，取20kg/m3；η为富裕系数，通常取1.1～1.2；K为浆液发泡倍数，取2；D为钻孔直径，m；L为注浆孔长度，m；r1为注浆孔中浆液在煤层中的渗透半径，由煤层赋存特征和压裂效果确定，m；l为注浆孔中浆液在煤层中的渗透长度，m；P为煤层孔隙率，取2.5%。

注浆总量Q按式(2)计算：

V=(L+l)×[π(R2-r2)÷2+A×B-a×b]

(3)

式中，Q为注浆总量，kg；V为加固煤体体积，m3；l为注浆孔中浆液在煤层中的渗透长度，m；R为固化圈外圈半径，m；r为固化圈内圈半径，m；A为巷道两帮固化矩形宽度，m；B为巷道底板固化矩形高度，m；a为巷道两帮未固化矩形宽度，m；b为巷道两帮未固化矩形高度，m。

将相关参数代入式(3)计算得出石门附近区域加固范围内煤体体积约为228.4m3，按留10%的富余量计算，则需加固煤体体积为254m3；煤层孔隙率按2.5%计算，在石门揭开地点及石门进入岩石段均需要加固，加固煤岩体总体积约为500m3左右；加固材料的发泡倍数按2倍计算，则初步估计需要加固材料5t。

3.2.4 注浆加固工艺流程

采用ZBQ-14.5/10型气动注浆泵压注天固®加固材料，注浆压力在15MPa以上，并达到设定注浆量时，停止注浆，具体施工工艺：打眼→连接注浆管和注射枪→用高压胶管连接注射枪和注浆泵→将两根吸管分别插入装有天固树脂和催化剂的桶内→开泵注浆→冲洗机具→停泵→拆卸注射枪。

石门注浆加固工艺的施工压力大，采用FKSJ-65型注浆封孔器进行封孔，封孔距离大于1m，注浆钻孔前端布置2m的注浆花管再连接注浆铁管，封孔器后端接注浆铁管，封孔器后端连接的注浆铁管伸出注浆钻孔0.1m左右。各注浆钻孔应当在孔口封堵牢固后方可向孔内注入加固材料。刚开始注浆，注浆量不宜过大，等注浆运行稳定后，再适当增大注浆量。每孔注浆量根据实际注浆压力确定，施工时必须严格控制注浆压力，当注浆压力超过10MPa或出现大面积漏浆时，即可换孔注浆或停止注浆。如长时间停止注浆，需要用机油冲洗注浆高压胶管，清理设备，防止注浆胶管堵塞。其注浆工艺流程如图3所示。

图3 注浆工艺流程

3.3 预抽瓦斯

3.3.1 瓦斯抽采钻孔设计

在石门与K4煤层垂距10m处实施预抽瓦斯。预抽区域位置包括两部分：一部分为固化圈内的煤体，抽放孔终孔间距设计为3m；另一部分为固化圈外至石门外12m的范围，抽放孔终孔间距设计为4m。在石门迎头位置施工20个钻孔，在两帮耳朵钻场分别施工10个抽放钻孔，钻孔孔径为65mm，按设计角度及方位角钻孔，钻孔长度应以穿透K4煤层进入顶板1m为准。采用水泥砂浆封孔，专用封孔泵注浆，封孔深度5m，保证封孔严实，遇到岩石破碎地带加大封孔深度至7m。预抽钻孔布置如图4所示。

图4 预抽钻孔布置

3.3.2 瓦斯抽采效果

抽采瓦斯后，监测了其中10个抽采钻孔，经过10d抽采效果数据监测，抽采钻孔的瓦斯抽采纯量为0.38～0.72m3/min，瓦斯抽采浓度为42.7%～85.8%，K4煤层瓦斯含量从20～25m3/t降低至7m3/t，瓦斯抽采效果良好。

4 效果检验分析

4.1 检验指标确定

根据《防治煤与瓦斯防突细则》要求，防治突出措施实施后必须进行效果检验[17]。采用“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术，待现场全部工艺实施完成后，需对固化区域的煤体进行防突效果检验。此次采用最大钻屑量Smax、钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2、煤的瓦斯放散初速度Δp、煤体坚固性系数f等的综合指标法进行效果检验。如果实测得到的各项指标均在突出危险性临界值以下，则可认定固化防突快速揭煤技术措施有效[18]。

4.2 检验钻孔布置

在注浆压力为大于20MPa、10～15MPa的注浆钻孔附近各布置1个检验钻孔，在注浆压力为0～5MPa的注浆钻孔附近布置2个检验钻孔，共设计4个检验钻孔，检验钻孔布置如图5所示，检验钻孔参数见表2。

表2 检验钻孔参数表

图5 检验钻孔布置(mm)

4.3 实测检验指标值

采用综合指标法进行效果检验，其实测值见表3。经检验各项指标都不超标，掘进至垂距5m和2m处，再次进行效果检验，也不超标，表明已经消除了突出危险性。按照规程进行揭煤，整个揭煤过程共用了20d时间就安全、顺利揭开了K4煤层，而以往石门揭煤采用常规技术措施则需2～3个月。

表3 采用综合指标法检验实测值

5 结 语

通过在盐井一矿采用“压裂-固化-预抽”一体化揭煤技术进行石门揭煤试验，既大大提高了卸压区煤体强度，有效抑制了瓦斯潜能的释放，降低了突出危险性，又有效缩短了石门揭煤周期，提高了石门揭煤效率，并减少了施工工程量、节约了成本、缓解了生产接替紧张状况、减轻了安全投入的压力，真正实现了安全快速揭煤，取得了良好的工程实践效果。