下行穿层钻孔高压保压注水消突技术研究与应用

孟战成 李连昌 温鹏鹏

（平煤股份勘探工程处，河南 平顶山 467000）

随着煤矿开采深度的增加，高地应力和高瓦斯压力重叠的灾害日趋严重。矿井深部开采时，面临着高瓦斯、高应力、高地压等安全隐患，开采过程中极易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井灾害。平顶山矿区煤层瓦斯含量东部高、西部低，具有明显的区域性与条带性；己组和戊组煤层瓦斯含量高、丁组和庚组煤层瓦斯含量低[1]，煤层埋深大，地应力高，瓦斯压力大，煤层透气性系数低，抽采较为困难，造成了矿井钻探工程量大、抽采效率低、生产接替紧张等现状。通过实施高应力突出煤层高压保压注水消突技术，增大煤层透气性，增强抽采效果，减少钻孔工程量，为实现高效抽采提供技术保障。

1 工作面概况

戊8-31240 工作面标高为-788～ -902 m，地面标高为+137～+156 m。戊8-31240 工作面沿戊8 煤层施工，戊8 煤层厚度2.0～2.8 m，平均厚度为2.3 m，戊8 煤层直接顶以泥岩为主，老顶多为中粒砂岩；戊8 煤层直接底为深灰色泥岩。戊8-31240 机巷高抽巷与戊8-31240 机巷按中-中外错22 m 布置，戊8-31240 切眼高抽巷与戊8-31240 切眼按中-中外错10 m 布置，在高抽巷施工穿层钻孔高压保压注水消除机巷掘进过程中的突出危险性。

2 高压保压注水设计

煤层高压注水是用高压水预先湿润煤体，在煤层开采前，通过施工钻孔向煤体注入压力水，使其渗入煤体孔裂隙，增加煤层水分[2]。高压注水措施过程中为固、液、气三相耦合状态下的渗流过程，高压水在钻孔周围润湿煤体，从而影响煤层气的渗流能力。水分对煤体渗透率的影响主要表现为：1）煤层经高压注水后高压水注入煤层使煤层内的裂缝数量、长度及张开度得到增加，扩充煤层气的渗流途径，增加了煤层的透气性；2）煤层经高压注水后高压水进入煤的微孔隙中，煤表面的水分子将与甲烷分子进行竞争吸附，致使煤体对甲烷的吸附、解吸性能得到改变，进而影响了煤体甲烷渗透率；3）煤层经高压注水后，高压水提高煤的孔隙压力，煤中孔隙压力增大，煤中游离甲烷开始向吸附态转换，煤吸附甲烷后会导致煤体发生膨胀变形，挤压煤体的孔裂隙，降低煤的渗透率。

2.1 钻孔设计

在戊8-31240 机巷高抽巷开口550 m 处向里至1350 m，总计800 m 机巷条带区域，共布置16 个高压注水钻孔，钻孔间距为50 m，钻孔终孔位置距煤层底板0.5 m 左右，不穿透煤层。戊8 煤层高压注水钻孔设计倾角为-28°，预计孔深25 m，开孔位置位于上帮底板向上0.6 m。在戊8-31240 机巷高抽巷575 m 处1#注水孔为试验孔，并在两侧30 m位置内设计12～14 个截流孔，截流钻孔146 个，走向间隔15 m，首尾两排倾向间隔13 m，中间间隔孔煤巷轮廓线外8 m，同时当作影响半径考察孔。高压注水钻孔参数设计见表1，高压注水钻孔和截流钻孔布置如图1 所示。

图1 戊8 煤层注水钻孔和截流钻孔布置图

表1 戊8 煤层高压注水钻孔和截流钻孔设计参数

2.2 封孔工艺

为满足40～45 MPa 高压注水的需求，研发高强度封孔工艺[3-5]。注水钻孔内使用Φ25 mm 内径、壁厚5 mm 无缝钢管作为注水管，注水管每根长2 m，采用特制接头连接，注水煤层顶板以下至终孔位置采用筛管。孔外的无缝钢管尾端焊接高压直通快速变径接头，确保与高压胶管正常连接。戊8 煤层顶板最小封孔长度为16.7 m。下向高压注水钻孔和截流钻孔均采用“两堵两注”带压封孔方式，封孔材料采用标号425 及以上的封孔水泥和“U”型膨胀剂，按4:1 的比例进行配比。具体封孔流程如下：

1）下放筛管和注水钢管。带堵头的筛管放置注水钢管前端，并下放到钻孔终孔位置。

2）下放囊袋、排水管和注浆管。将囊袋固定在注水钢管处，与排水管和注浆管一同下放到钻孔中，里囊袋放置于戊8 煤层顶板煤岩交界处岩段，外囊袋放置于距离孔口0.5 m 处。

3）封孔注浆。注浆压力不低于1.5 MPa，保压3～5 min。

注水孔和截流孔封孔示意图如图2 所示。

图2 戊8 煤层注水孔和截流孔封孔示意图

3 高压保压注水试验

3.1 孔口连接装置

高压胶管接口采用螺纹式C 型接口连接，与注水孔孔内压裂钢管接口采用DN 型U 型卡连接，孔内压裂钢管之间采用螺纹连接并缠绕生料带，端管堵头与管口采用高压焊接。在地面进行了管路及接头高压承压试验，试验结果显示高压胶管、压裂钢管以及各连接部位最高可承压55 MPa 且无漏水现象，上述材料及连接方式均满足高压保压注水试验需要。

3.2 高压注水参数选择

戊8-31240 工作面埋深950～1041 m，该水平最小主应力为20.66～23.58 MPa，最大主应力为46.65～53.84 MPa，最大水平主应力与垂直应力比值为1.06～2.07，起裂压力约为25.64～36.43 MPa。考虑管道阻力和压力损失，因此，泵注压力在26.61～38.80 MPa。

3.3 高压注水过程

高压保压注水有效影响范围如表2 所示。

表2 高压保压注水有效影响范围统计表

高压保压注水孔实际泵注压力30～47 MPa，实际注水次数2～5 次，采用多次少量循环注水工艺，单孔重复注水次数2～5 次，单次注水后保压1 d，达到注水量之后保压时间7～15 d。单次注水预计注水量为40 m3，具体注水循环次数和累计注水量根据实际情况而定。实际单孔累计注水量71～159 m³，累计总注水量1648 m³，实际百吨煤注水量为1～2 m³。

在采用多次重复高压保压工艺进行注水试验后，试验区域高压保压注水有效影响半径为36～101 m。

4 高压保压注水影响范围考察

高压保压注水影响范围可以从多个方面多指标多维度进行考察，采用水力增透观察孔以及两侧巷道形貌改变的方法来判定影响范围。在进行高压保压注水之前，在注水孔周围布置了截流孔，主要通过截流孔的孔口瓦斯、高压水和煤泥涌出异常情况来判断压裂有效影响半径的位置。

4.1 考察钻孔设计

高压保压注水过程中，高压水达到煤层起裂压力后，裂缝网开始延展。随着裂缝延展及瓦斯驱赶，注水区域原始煤体及围岩应力平衡状态被打破，应力重新分布，注水后煤体一定范围内出现应力集中。通过优化钻孔布置方式及注水施工顺序，实现注水区域内缝网的有效贯通及卸压空间的控制，避免戊组煤层实施高压保压注水过程中的应力集中对后期采掘工作的影响。

在戊8-31240 工作面高抽巷注1#、注2#和注4#孔两侧进行戊8 煤层穿层钻孔抽采有效半径考察。设计108 个钻孔间距6 m×6 m、80 个钻孔间距7 m×7 m、27 个钻孔间距8 m×8 m 穿层网格孔，孔径94 mm。考察钻孔布置平面图如图3～图5 所示。

图3 抽采半径（6 m×6 m）考察钻孔布置图（m）

图4 抽采半径（7 m×7 m）考察钻孔布置图（m）

图5 抽采半径（8 m×8 m）考察钻孔布置图（m）

4.2 效果考察结果

现将压裂区域下向抽采钻孔抽采效果与同巷道外端500 m 未压裂区域下向抽采钻孔抽采效果作如下对比分析。

按照穿层抽采钻孔间距为6 m×6 m 设计，高压保压注水后平均瓦斯浓度达到41.87%，相比未进行高压保压注水区域的平均瓦斯抽采浓度6.80%提高了6.16 倍；平均单孔抽采纯量为6.567 L/min，相比未进行高压保压注水区域的平均单孔抽采纯量0.56 L/min 提高了11.73 倍。

按照穿层抽采钻孔间距为7 m×7 m 设计，高压保压注水后平均瓦斯浓度达到35.51%，相比未进行高压保压注水区域的平均瓦斯抽采浓度6.80%提高了5.22 倍；平均单孔抽采纯量为5.970 L/min，相比未进行高压保压注水区域的平均单孔抽采纯量0.556 L/min 提高了10.74 倍。

按照穿层抽采钻孔间距为8 m×8 m 设计，高压保压注水后平均瓦斯浓度达到48.84%，相比未进行高压保压注水区域的平均瓦斯抽采浓度7.66%提高了6.38 倍；平均单孔抽采纯量为6.982 L/min，相比未进行高压保压注水区域的平均单孔抽采纯量0.687 L/min，提高了10.16 倍。

综合考虑抽采效率和效果，穿层抽采钻孔设计按照间距为7 m×7 m 较为适宜。相比穿层钻孔原设计4 m×4 m 计算，注水后100 m 巷道注水区域钻孔数量179 个，相比未注水区域442 个，减少了59.5%；注水区域预抽钻孔工程量5786 m，相比未注水区域13 117 m，减少了55.9%。800 m 巷道瓦斯治理时间成本节约15 个月左右，节省了瓦斯治理时间67%。

5 结论

1）首次在煤巷条带区域高抽巷瓦斯治理工程中应用高压保压注水消突技术、引入截流卸压工艺，高压保压注水工艺参数为泵注压力30～45 MPa，注水次数2～5 次，保压时间7～15 d，单孔注水量100～150 m³，百吨煤注水量为1～2 m³。

2）研究了下向高压注水钻孔的高强度封孔工艺，下向高压保压注水钻孔采用“两堵两注”带压封孔工艺，有效封孔长度为17 m 时，至少可承压48 MPa。

3）在对抽采钻孔定期排水的前提下，高压保压注水后7 m×7 m 穿层抽采钻孔平均瓦斯浓度达到35.51%，相比未进行高压保压注水区域的平均瓦斯抽采浓度6.80%提高了5.22 倍；平均单孔抽采纯量为5.970 L/min，相比未进行高压保压注水区域的平均单孔抽采纯量0.556 L/min 提高了10.74 倍。

4）采用高压保压注水后，瓦斯预抽钻孔工程量减少了55.9%，瓦斯治理周期减少了15 个月，提高了瓦斯治理效率、效果。