高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用

武国胜，武泽铭，潘鹏飞，徐云辉

(铁福来装备制造集团股份有限公司，河南 平顶山 467400)

煤炭是植物残骸在经过漫长复杂的地质沉积变化作用后形成的化石燃料。煤炭在我国的能源体系结构中长期占据着主导的地位，预计到2050年，煤炭产量将保持在30亿t，煤炭资源的安全开采对保障我国的能源安全有着重要的作用[1]。

煤炭在形成过程中经历复杂化学变化外，还普遍受到构造应力的影响，导致原生结构被破坏，形成质地高度粉化的构造煤。在我国的煤炭资源中，已经探明的构造煤保有储量为4 570亿t左右，约占煤炭资源总量的23.5%[2]。构造煤广泛存在于我国的河南、两淮、山西、东北、云贵等多个矿区，呈现出区域性分布、局部分布及分层分布的特点。

构造煤具有结构高瓦斯、透气性差、瓦斯含量高的特点，煤层瓦斯抽采困难，煤与瓦斯突出危险大。近年来，随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力和瓦斯压力不断增加，导致煤层渗透性降低，瓦斯抽采困难，瓦斯灾害潜能增大。由于构造煤中的瓦斯难以被有效抽出，在采动应力的扰动下，瓦斯能产生突发性释放，极易导致煤与瓦斯突出事故。相关研究发现，世界上绝大多数煤与瓦斯突出事故的发生都与构造煤的存在密不可分[3]。因此，对构造煤中瓦斯进行高效抽采，促进煤层增透，是实现煤炭能源安全利用的重要途径。

1 高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论

对于煤层卸荷增透，最常用的有效技术手段为保护层开采。但是对于不具备保护层开采条件的煤层而言，井下瓦斯抽采的其他措施主要为水力压裂、水力割缝、CO2深孔爆破、水力冲孔和钻孔全程下PVC筛管技术等[4]。这些技术都在一定程度上提高了煤层瓦斯抽采效果，但随着采深增大、地应力逐渐增加，以卸地应力为主的水力造穴技术取得了更显著的增透效果。

水力造穴技术主要为在煤层中施工穿层或者顺层钻孔，然后采用高压水射流对孔壁周围煤体进行冲击破碎，破碎煤体从孔壁脱落后，形成大的孔洞，钻孔孔径显著扩大后，造成煤层较大范围内应力释放[5]。实践表明，扩大煤层塑性损伤范围，促进孔洞周围煤体的应力释放，有利于煤体膨胀变形和运移破碎，实现高瓦斯煤体的高效卸荷增透[6-7]。

造穴后煤体可以达到较好的增透效果，这是因为当煤层受到采动或者钻孔抽采的影响，在煤层和煤壁之间压差和浓度差的作用下，煤层内的吸附瓦斯和游离瓦斯会同时分别以Fick扩散和Darcy渗流的形式向煤壁运移，与此同时，孔隙系统和裂隙系统之间将发生质量交换。对于孔隙系统是流出，对于裂隙系统是流入，孔隙系统相当于是裂隙系统均匀分布的内质量源，增透机理如图1所示。

图1 煤中瓦斯运移过程Fig.1 Gas migration process in coal

决定煤中瓦斯在裂隙系统内流动的关键因素为裂隙的开度和裂隙数量，宏观上表现为煤体的渗透率。因此，促进煤体中瓦斯的抽出的关键在于提高煤体的渗透率。根据煤体在全应力应变下的力学渗透特征可知，当煤体进入峰后塑性卸压阶段时，煤体内部裂隙大量发育，煤体所受有效应力下降，裂隙开度增加，渗透率大幅增加[8]。煤体渗透率在全应力应变中的发展变化满足如下关系式[9]：

(1)

式中，k0为煤体初始渗透率；bσ为煤体的裂隙压缩系数；θ为煤体所受的体积应力，θ=σ1+σ2+σ3；γp为煤体的等效塑性应变；γp*为应变软化阶段终点的等效塑性应变；ξ为渗透率突变系数，根据实验测定结果确定。

从式(1)中可以看出，煤体渗透率的增加与煤体所处塑性状态密切相关。因此，促使煤体进入峰后塑性卸压状态是提高煤体渗透率的根本途径。

当钻孔施工后，钻孔周围煤体的应力状态发生扰动，部分煤体在集中应力的作用下发生塑性屈服破坏，最终进入峰后塑性卸压状态。钻孔周围煤体可分为弹性区、峰后塑性区和峰后破碎区[10]。在峰后塑性区内，由于煤体结构被破坏，煤的应力开始显著降低，并在此过程中产生大量新生裂隙，渗透率发生突变。在峰后破裂区，裂隙持续发育，应力完全释放，小于原始地应力。钻孔周围煤体所处峰后破碎区的半径计算见式(2)[11]：

(2)

式中，a为钻孔的直径；c为煤体的黏聚力；φ为煤体内摩擦角；P0为原始地应力。

对于特定煤层而言，煤体的黏聚力、内摩擦角和原始地应力是不变的，提高煤体塑性卸压区的有效途径为增大钻孔的直径，因此，采用水力冲孔方式扩大钻孔的直径，能够使更大范围内的煤体处于峰后塑性卸压状态，煤体渗透率大幅提高。

2 高瓦斯低透气性煤层卸荷增透技术装备

2.1 国内外主要技术装备发展

水力冲孔技术在煤矿中的应用最早可追溯到20世纪50年代，苏联、波兰等国家和我国东北的北票、华中的焦作、西南的南桐等煤矿在煤与瓦斯突出较为严重的区域作为煤巷掘进以及石门揭煤的一种防突新技术应用[12-13]。2000年以后，我国一些矿区陆续开始使用水力冲孔技术，主要在煤矿井下高瓦斯突出煤层的瓦斯抽采中应用水力冲孔作为快速有效的瓦斯抽采消突技术。

水力冲孔技术在国内开始应用以来，所用设备经历了一系列的发展演变。早期的设备集成化程度较低，操作不便，作业危险性较大。2004年在焦作九里山煤矿进行的水力冲孔作业[14]，主要采用了高压无缝钢管将高压水泵和水枪连接，水枪布置固定在距离煤壁前方0.5 m处，待进行水力冲孔作业时，掘进工作面的工作人员都撤离到避难硐室，然后开启高压水泵进行冲孔作业。该方法工艺较为落后，冲孔过程中水枪在煤体外部，移动难度较大，安全性、可控性差。为方便作业，对设备进行了改进，水力冲孔装备及工艺有所提升和完善，如图2所示。该工艺改变了以往直接在煤体外固定高压水枪进行冲孔施工的方式，设备集成化程度有所提高，通过钻机推送钻杆的方式实现了冲孔可控，防喷装置的使用提高了操作人员的安全性。

图2 改进后的水力冲孔装备示意Fig.2 Schematic diagram of improved hydraulic punching equipment

虽然改进后的水力冲孔装备与最初的装备相比，有了显著的提升，但是设备集成度较低，作业仍然较为繁琐，难度较大，施工方式不够便捷，存在一定的安全作业风险。导致水力冲孔技术在国内高突矿井中难以大规模开展应用。

在此背景下，河南铁福来装备制造集团股份有限公司联合中国矿业大学等科研院所进行了长期的装备研发与技术攻关，经过多年的探索试验，研发出了针对高瓦斯突出煤层的造穴卸压增透一体化系列成套装备[15]。该装备在我国的河南、山西、陕西、山东、内蒙古、贵州、两淮以及东北等矿区大范围推广应用，取得了良好的瓦斯增透效果。

2.2 水力造穴装备特点

针对现有煤矿井下冲孔设备存在的问题，河南铁福来装备制造集团股份有限公司研发出了适用于煤矿井下的履带式水力钻冲一体化集成设备，且实现了履带式联动行走。水力钻冲一体化装备高度集成了打钻、水力造穴、孔口防喷等功能，配套高压水泵站及密封钻杆，使得造穴水压力达到20 MPa以上，大幅提高了破煤造穴效果，破煤效率和造穴半径均达到了较为理想的状态，迅速推动了水力造穴卸压增透技术在高瓦斯矿井中的应用，取得了优异的瓦斯治理效果和经济效益，广受煤炭企业好评。 另外，为了解决高压水射流在冲孔造穴方面存在的效率低、成孔质量难以保证以及煤质变硬时扩孔失效的问题，铁福来公司通过联合攻关，研发出了煤层机械扩孔一体化装备[5]。该装备应用机械刀具辅助高压水射流破煤技术，利用机械破煤的高效率弥补水力破煤的缺点，并且保留了水力破煤的优势。相比于原来单一高压水射流扩孔在效率上和距离上都有了显著提高。其技术装备如图3所示。

图3 煤层机械扩孔一体化装备Fig.3 Coal seam mechanical reaming integrated equipment

在钻进过程中，扩孔刀具闭合在装置上的刀槽中，进行扩孔时提高供水压力，当水压达到2 MPa时，低压水流通道闭合，高压水只流入刀具内流道，刀具逐渐打开。随着刀具周围的煤体被截割冲刷后孔洞增大，直到刀具完全打开，在钻杆推进力作用下旋转的刀具将煤体割下，同时与水射流联合破煤扩孔。整个过程仅通过改变水压即可完成，形成钻进、机械扩孔和水力扩孔一体化。

3 水力造穴技术装备应用效果

3.1 水力造穴装备应用效果

3.1.1 试验区概况

阳泉矿区煤层赋存条件和地质构造复杂，是我国地质条件复杂、瓦斯灾害严重矿区的典型代表，煤层赋存特征为煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤质极高瓦斯煤层透气性低。

试验地点寺家庄矿北翼辅助运输大巷，在巷道的施工过程中，由于15号煤层的起伏，需要进行石门揭煤。揭煤区域全长220 m，寺家庄矿北翼辅助运输巷剖面如图4所示。该区域15号煤层的瓦斯含量最大值为10.38 m3/t，瓦斯压力最大值约为1.0 MPa，煤层透气性系数低至0.973 m2/(MPa2·d-1)，坚固性系数最低仅为0.15。

图4 寺家庄矿北翼辅助运输巷剖面Fig.4 Section of auxiliary transport roadway in north wing of Sijiazhuang Mine

3.1.2 水力冲孔造穴钻孔设计

在北翼辅助运输巷的施工过程中，沿着巷道的施工方向布置了普钻区和造穴区。

在揭煤前50 m区域采用钻孔间距为5 m的普通穿层钻孔进行瓦斯抽采，该区域长度为65 m，共布置14 排瓦斯抽采钻孔，每排钻孔含9组瓦斯抽采钻孔，巷道两侧控制范围分别为20 m和15 m。普钻区钻孔平剖面如图5(a)所示。

造穴区长50 m，巷道两侧控制范围分别为20 m和15 m。该区域布置15—25号共11排钻孔，钻孔排距为5 m。在奇数排中，施工1号、3号、5号、7号、9号钻孔进行水力冲孔，在偶数排中施工2号、4号、6号、8号钻孔进行水力冲孔。造穴区钻孔布置平剖面如图5(b)所示。

图5 普钻区/造穴区钻孔布置平剖面Fig.5 Plan section of drilling layout in general drilling area/cavitation area

3.1.3 水力冲孔造穴效果

对水力冲孔作业过程中的冲孔时间、冲孔水压和出煤量进行监测统计，水力冲孔造穴施工过程中所用的水压为18 MPa左右，单孔的冲孔造穴时间为70～290 min，单孔出煤量为6～19 t，单孔冲孔造穴半径平均为0.65 m。

在普钻区和造穴区120 d的瓦斯抽采过程中计量所得的瓦斯抽采数据如图6所示。从图6中可以看出，在寺家庄矿15号煤层的瓦斯抽采过程，造穴区的瓦斯抽采浓度平均可达50%，普钻区瓦斯抽采浓度平均25%，瓦斯抽采浓度提高约2倍；修正后造穴区的瓦斯抽采纯量平均可达0.52 m3/min，普钻区瓦斯抽采纯量平均为0.23 m3/min，造穴区的瓦斯抽采纯量约为普钻区的2.3 倍。普钻区经过5个月的瓦斯抽采，共抽采瓦斯44 800 m3；造穴区经过4个月的瓦斯抽采，共抽采瓦斯83 600 m3，约为普钻区瓦斯抽采量的2.2倍。

图6 普钻区和水力冲孔造穴区瓦斯抽采数据对比Fig.6 Comparison of gas extraction data between general drilling area and hydraulic punching cavitation area

3.2 机械造穴一体化装备应用效果

3.2.1 试验区概况

试验选择在平顶山天安煤业股份有限公司八矿的戊9-10-21070运输巷高位巷中开展，对戊9-10-21070运输巷掘进前进行煤层瓦斯预抽。戊9-10煤层厚度3.0～4.5 m，平均厚度4.3 m，厚度较为稳定。该煤层在历史上共发生煤与瓦斯突出事故15次。试验区煤层原始瓦斯含量最高为10.66 m3/t，瓦斯压力最高为1.7 MPa，煤层渗透率0.001 8×10-3μm2，煤与瓦斯突出危险性较高。

3.2.2 机械造穴钻孔设计

在戊9-10-21070运输巷高位巷中进行下向孔施工，钻孔设计孔深13～46 m，孔径89 mm，每6 m一组，每组7个钻孔。相比于普通钻孔，机械造穴钻孔的数量下降了50%，每组钻孔分两列交叉分布，钻孔分别控制到戊9-10-21070运输巷上帮轮廓线和下帮轮廓线外各15 m范围，水力机械造穴钻孔设计布置如图7所示。

3.2.3 机械造穴瓦斯抽采效果

戊9-10-21070运输巷高位巷下向孔造穴共施工造穴钻孔343个，施工造穴孔过程中的出煤量平均达到0.36 t/m，钻孔半径达到0.3 m以上。抽采负压为13 kPa时，抽采30 d的有效抽采半径为2.5 m；抽采90 d的有效抽采半径为3.5 m；抽采180 d的有效抽采半径为4 m。煤层渗透率从0.001 8×10-3μm2提高到0.043 1×10-3μm2，煤层渗透率提高了23.9倍。

为了考察对比水力机械造穴钻孔的瓦斯抽采效果，在水力机械造穴的相同地点附近同时施工了相同设计参数的普通钻孔作为对比。在抽采周期内造穴钻孔和普通钻孔的瓦斯浓度和百米瓦斯纯流量如图8所示。

图7 水力机械造穴区钻孔布置平剖面Fig.7 Horizontal section of drilling layout in hydraulic machinery cavitation area

图8 造穴钻孔和普通钻孔瓦斯抽采情况Fig.8 Gas extraction from cavitation holes and ordinary holes

对比2组钻孔的瓦斯抽采浓度可以看出，造穴钻孔的初始浓度达到了90%，之后随着抽采的持续逐渐降低，而普通钻孔的初始浓度为52%，并逐渐上升到最大浓度58%后逐渐下降。随着抽采时间的延长，造穴钻孔的瓦斯浓度维持在30%以上的高浓度抽采天数提高了123.5%。

2组钻孔的百米瓦斯纯量大小差别明显，造穴孔和普通孔初始百米瓦斯纯量分别为2.10、0.36 m3/min，造穴使得钻孔的初始百米瓦斯纯量提高了5.8倍。抽采90 d后造穴钻孔的瓦斯抽采纯量是第1组钻孔的3.1倍。并且随着抽采时间的延长，造穴钻孔的百米瓦斯纯量始终大于普通钻孔。

4 结论

(1)水力冲孔造穴技术可以有效冲出高瓦斯煤层中的煤体，形成较大尺寸的孔洞，促进孔洞周围煤体的应力释放，促使钻孔周围更大范围的煤体处于峰后塑性卸压状态，煤层渗透率大幅提高，是实现高瓦斯煤层卸荷增透的有效手段。

(2)铁福来公司生产的煤层水力钻冲一体化装备和煤层机械扩孔一体化装备集成度高，履带式行走机构实现了装备在井底的自由移动。水力与机械刀具的结合使用，可实现本煤层、上向穿层钻孔、下向穿层钻孔等多种形式的机械扩孔造穴施工。

(3)典型应用矿井的现场试验表明，经过水力冲孔造穴以后，煤层的渗透率可提高23.9倍以上，钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量均在普通钻孔的2倍以上，且可以维持长时间的高浓度瓦斯抽采，取得了良好的煤层卸压增透效果。