松软低透煤层水力造穴诱导瓦斯喷孔技术工程实践.pdf

为了探索松软低透煤层瓦斯治理新技术，基于钻孔内煤与瓦斯突出能量理论，在传统水力冲孔和割缝技术基础上，改进了钻孔施工工艺和技术参数，采用远距离操控作业的方式，实践了钻孔水力造穴诱导瓦斯喷孔的技术措施。结果表明，水力造穴诱导瓦斯喷孔机理符合孔内煤与瓦斯突出的能量理论。钻孔内发生瓦斯喷孔后煤体卸压效果较好，单孔瓦斯抽采量提升6 7%。关键词水力造穴瓦斯喷孔穿层钻孔卸压增透瓦斯抽采中图分类号：TD712文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 53-0 40引言豫西煤田主采二，煤层为典型“三软”煤层，瓦斯治理难度大，煤矿开采过程中瓦斯危害依然严重。为了治理瓦斯，工程技术人员实践了多种钻孔卸压增透技术措施1-5,取得了一定成效。但效果差异性大、成本高、工序繁琐、标准不统一等依然是各矿井瓦斯治理面临的主要问题。随着各矿井开采深度的增加，煤层瓦斯问题更加突出，部分矿井开展了更为前卫的防突措施，即钻孔造穴或钻孔造穴诱突技术6-9。研究表明，钻孔造穴卸压增透技术在松软低透煤层中取得较好的卸压效果。钻孔造穴技术是在无保护层开采情况下低透煤层卸压增透的有效技术措施，相较于传统的钻孔卸压增透措施。它是一种“主动 的卸压增透的新方法9-10 。但水力造穴过程中容易出现钻孔堵塞和瓦斯喷孔造成瓦斯超限，给井工生产带来安全隐患。此技术实施的关键是如何防控造穴过程中的钻孔堵塞和瓦斯超限问题。为了解决上述问题，在传统水力冲孔和割缝技术基础上，改进了钻孔施工工艺和技术参数，采用远距离操控作业的方式，实践了钻孔水力造穴诱导瓦斯喷孔的技术措施，为松软、低透、高瓦斯煤层瓦斯防治进行了探索。1钻孔水力造穴瓦斯喷孔机理实践表明，钻孔水力造穴过程中瓦斯喷孔有2 方面的原因：由于钻孔排渣不畅，容易造成钻孔堵塞，孔内瓦斯聚集，瓦斯压力逐渐升高并冲破堵塞煤泥阻力发生瓦斯喷孔。在排渣畅通情况下，钻孔孔穴内的煤与瓦斯喷孔实则为小型的煤与瓦斯突出（以下简称“突出”）。前者喷出煤泥和瓦斯，施工过程中应尽量避免；后者喷出干燥煤粉和瓦斯，造成煤体卸压，可以加以利用。突出能量理论认为，突出发展和发生过程中煤体的弹性能对煤体做破碎功，瓦斯内能做搬运和抛出功1-15。突出主要是煤体弹性势和瓦斯内能释放造成的，突出能量表达式见式(1)16。收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 1作者简介：刘松(198 7 一），男，本科，工程师，从事矿井瓦斯防治及管理工作。53W,+W2=A;+A2式中：W,为煤体弹性势能；W为瓦斯内能;A1为煤体破碎功；A2为煤体抛出功。在钻孔造穴煤体三维结构中，突出的弹性能和瓦斯内能总方程表达式为式(2)(7)9。(1)煤体弹性能方程：bd(x)WF2E(1-a)1ac(a)ki=Rp/(0.1+ccot)k2=(3-6u)g2(1-az)22式中：R。为造穴半径；x、y z 为三维方向造穴煤体弹性区深度(这里主要考虑xy两个方向）;E为煤的弹性模量;Rp为煤体塑性区半径;P为煤体的原始压力；为弹性区中单位煤体表面孔隙比;wo为煤的原始总应力;c为煤的粘聚力;为煤体的内摩擦角；为煤体的原始有效应力;u为煤的泊松比。(2)瓦斯总内能方程：W2=vopoaln(pdpi)+Ak4h4-26.652+18.168/poV(n+1)式中：Uo为突出后游离瓦斯膨胀后的体积（对应巷道瓦斯压力);Pi为巷道瓦斯压力；入为解吸单位体积瓦斯时释放的内能；n为Airey常数，甲烷时n=1/2;D为瓦斯在煤层中的扩散系数；T为突出周期；d为煤颗粒的平均直径。由式(2)可知,R。与W呈正相关性,可见R。是造穴钻孔内发生突出的必要条件。由式(3)可知,p。与Wz呈正相关性，可见po决定了突出发生与否和强度的高低。所以，水力造穴过程中可以通过扩大造穴半径R。诱导孔内发生瓦斯喷孔，达到2023.NO.4.(1)k2+k3(x-Ro)+(y-Ro)+z/J dydx(2)4singR1-singRo-14DTd?+0.1-Wo(3)(4)(5)(6)(7)传源南环境能源与电力ISSN1672-9064CN35-1272/TK充分卸压的目的。2钻孔造穴诱导瓦斯喷孔技术工程实践2.1试验矿井概况郑州煤电超化矿位于豫西煤田东部的新密煤田内，矿井核定生产能力2.1Mt/a，瓦斯等级为突出矿井。当前瓦斯治理措施主要为穿层钻孔水力冲孔和水力割缝措施。措施钻孔施工成孔难、密度大，瓦斯治理成本高且效果不理想。2.2造穴工艺参数及设备(1)施工参数调整：传统的水力冲孔和水力割缝技术孔内输水工具均为随钻钻具（中空钻杆），钻孔孔径一般为113mm，钻杆直径为7 6 mm，有效排渣口净宽为18.5mm。水力泄煤过程中容易造成钻孔堵塞，发生瓦斯喷孔（前者）。为了避免此类问题发生，扩大钻孔施工孔径至133mm，水力造穴孔内输水工具改为专用铝合金输水管，外径18 mm，有效排渣口净宽为57.5mm。扩大防喷孔箱体积至5m（防喷孔箱用于水力造穴作业期间的煤、水、气三相分离）。孔口至防喷孔箱之间排渣管径增至150 mm，防喷孔箱瓦斯抽采管径增至150 mm，抽采负压不低于13kPa,造穴水压1.5 15MPa。(2)造穴设备改进：现场司钻操控改为远程视频操控，在现场作业机上增加控制单元和数据连接端口，并接人现场视频和监控系统，将远程操控平台安设在反向风门外，实施远距离视频操作造穴作业。(3)施工工艺：现场施工钻孔拆除钻机，安装防喷孔装置一安设造穴作业机一连接数据线，调试设备一撤离人员一远程操控造穴作业一拆除设备、封孔一清理现场、连孔抽采瓦斯。2.3钻孔造穴技术实践（1)实施地点及煤层参数：试验地点为2 1141底板抽采巷，距离煤层底板以下10 m。2 1141工作面下付巷条带区域煤层赋存平均厚度为5.5m，平均倾角为16，平均瓦斯含量为11.25m/t，最大瓦斯压力1.14MPa，煤层坚固性系数 0.3。钻孔与煤层夹角50 90,终孔点间距2 0 m。钻孔布置及瓦斯含量情况如图1所示。21141底板抽放巷（下）300?W10.02ml/tP0.95MPaW10.95m/W-10.32m/t水力造穴钻孔图1造穴钻孔布置及瓦斯情况简图(2)施工现场管控措施：施工现场下风侧按要求安设CO、CH4和温度探测器，并接入矿并安全监控系统且在远程操作台上进行实时显示相关数据；造穴作业地点的回风流进人专用回风巷道，保证回风畅通，巷道按专业回风巷管理；远程操控台设置在反向风门外5m处。(3)造穴诱导瓦斯喷孔判定依据：水力造穴诱导瓦斯喷孔作业期间以监控现场出现瓦斯喷孔现象（现场检测参数出现异常、监控画面晃动且出现模糊、监控中有大量煤粉喷出、反向风门外听到响声或声光报警等现象）作为停止作业的条件。若未出现上述现象，以最大水压造穴直至孔内反清水时停止作业。(4)瓦斯喷孔情况：水力造穴过程中随着泄煤量的增加逐渐增大，在地应力和瓦斯压力作用下孔内发生瓦斯喷孔现象。现场监控画面发生晃动且模糊，如图2 所示，瓦斯监控数据升高。经现场勘验，喷出煤粉粒径在5mm以下。（a）造穴作业中图2 水力造穴现场视频截图针对钻孔造穴诱导瓦斯喷孔前、中、后期的现场及煤层参数进行了统计,结果见表1和表2。表1水力造穴诱导瓦斯喷孔试验统计数据平均瓦平均单孔最大单孔平均单孔最大单孔钻孔喷斯含量/泄煤量/泄煤量/喷出煤量/味喷出煤量/孔率/(m/t)t12.393.2111.883.9410.554.2410.174.88表2 造穴泄煤量与喷出煤量统计数据钻孔编号单孔泄煤量12.4324.8534.6842.8252.9262.32W10.14m/7-320P1.14MPaW12.36m%03400W11.88m/tW12.41m/t2023.NO.4.（b）瓦斯喷孔中tt4.8515.755.3116.826.0417.246.4218.103.2182.52?91012注：平均瓦斯含量12.39m/t。2.4试验结果分析(1)施工与喷孔参数分析：对表1中瓦斯含量与造穴泄煤参数和喷孔参数进行回归分析，得出如图3和图4所示关系。由图3看出，当孔内发生瓦斯喷孔时，煤层瓦斯含量越高，造穴工程量越小。说明瓦斯含量越高，造穴过程越容易诱发瓦斯喷孔。由图4看出，煤层瓦斯含量越高，喷孔参数越高。说明瓦斯含量越高煤体内存储的瓦斯内能越大，瓦斯喷孔强度越大。所以，瓦斯含量(瓦斯压力)决定了钻孔造穴过程中的喷孔强度。经过对表2 中数据进行回归分析，得出如图5所示关系。64（c）瓦斯喷孔后t%2.52921.98831.02670.8858单位：t钻孔喷出煤量2.113.553.252.322.211.822.652.012.852.033.082.653.683.14能源与电力传源环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK由图5看出，钻孔造穴过程的泄煤量与喷孔煤量呈正相关性。煤体弹性能和喷孔时的瓦斯内能,结果见表3。经对表3中数泄煤量越大说明造穴半径越大，突出煤体内较大的腔体的存据进行线性回归分析发现，钻孔喷出煤量与弹性潜能和瓦斯在为瓦斯喷孔提供了空间和结构应力条件。瓦斯喷孔发展过内能均呈递增关系，如图6 所示。瓦斯内能值约是弹性潜能的程中煤体释放的弹性能越大，喷孔强度也就越大。1000倍。6.4P试验结果与孔内煤与瓦斯突出的机理相符。平均单孔泄煤量6.0*一最大单孔泄煤量5.65.24.84.44.03.63.23.63.02.41.81.20.60.010.03.63.22.82.42.01.6.2.0(2)瓦斯喷孔能量分析：经过对试验煤样进行参数测试和瓦斯压力换算,按照突出能量方程式(2)和式(6)计算钻孔内表3瓦斯喷孔的能量与喷出煤量统计数据原始瓦斯压力/瓦斯内能/MPa10kJ1.243.771.222.911.141.671.121.241.101.031.030.891.000.680.950.5410.410.8煤层瓦斯含量/（m3/t）图3瓦斯含量与泄煤参数关系一平均单孔喷出煤量一最大单孔喷出煤量一钻孔瓦斯喷孔率10.410.8煤层瓦斯含量/（m/t)图4瓦斯含量和喷孔参数关系12.53.0单孔泄煤量/图5钻孔泄煤量与喷出煤量关系弹性潜能/103kJ3.853.142.341.641.261.010.530.3411.211.611.211.63.54.0喷出煤量/t6.235.254.033.653.453.472.923.1412.012.492888480%7672686460565212.012.44.55.02023.NO.4.6.45.64.84.03.22.41.60.4 0.81.21.6 2.02.42.83.23.64.0瓦斯内能/kJx1066.45.64.84.03.22.41.60.40.81.21.6 2.02.4 2.83.23.64.0弹性潜能/kJx103图6瓦斯喷孔的能量与喷出煤量关系(3)卸压效果考察：选取瓦斯含量为11.2 4m/t区域65个水力冲孔钻孔（常规措施）的平均瓦斯抽采量与造穴诱导瓦斯喷孔钻孔作对比，瓦斯抽采效果对比情况如图7 所示。720640（P/）/日560480400320240160800055y=0.9822+2.4556R2-0.989y-0.8816+2.4626R2-0.9318+造穴诱导瓦斯喷孔钻孔一传统工艺水力冲孔钻孔1020钻孔抽采瓦斯时间/d图7瓦斯抽采效果对比3040传源南环境能源与电力1SSN1672-9064CN35-1272/TK由图7 看出，水力造穴诱导瓦斯喷孔后钻孔瓦斯抽效果明显提高。在单孔瓦斯抽采周期内(40 d),造穴诱导瓦斯喷孔钻孔平均单孔瓦斯抽采量达到416 6 m，是普通措施孔的1.6 7 倍。突出预测指标值比较：对类同瓦斯地质单元内的煤巷掘进工作面的突出预测指标q和S值统计，发现相对于传统措施（水力冲孔），采用水力造穴诱导瓦斯喷孔技术措施后q、S值分别下降了46.7%和9.6%。3结论(1)水力造穴诱导瓦斯喷孔机理符合孔内煤与瓦斯突出的能量理论。钻孔内发生瓦斯喷孔后，煤体充分卸压，钻孔瓦斯抽采效果得到明显提升。(2)钻孔水力造穴诱导瓦斯喷孔技术措施的关键是大孔径穿层排渣钻孔和远距离操控技术措施，2 项技术措施确保了造穴泄煤排渣畅通和瓦斯喷孔过程的防控安全。(3)问题与思考：瓦斯喷孔容易外泄造成巷道内瓦斯超限，强密封、快抽采、智能除渣的防喷孔装置有待进一步研发。喷孔瓦斯量和喷出煤量等参数难以统计和定量控制，钻孔卸压半径需进一步考核。参考文献1魏东，任金武“三软”低透气性煤层瓦斯涌出规律及综合治理技术研究J.煤炭技术,2 0 2 2,343(0 7):113-116.2袁振春.松软低透煤层钻孔群大孔径水力冲孔技术J.能源技术与管理,2 0 2 2,47(0 2):33-34,37.3李伟，朱传杰，胡思佳，顺和煤矿机械扩孔快速卸压增透技术研究与应用J.煤炭科技,2 0 2 1,42(0 3)：135-138.4田坤云，韩兆彦，毕寸光.顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践J.中国安全生产科学技术,2 0 2 1,17(0 3)：7 1-7 6.5田坤云，宫伟东，魏二剑，等.松软煤层及砂岩顶板水力挠动卸压增透效果对比分析J.煤炭学报,2 0 2 1,46(0 6)：18 8 8-18 97.6武国胜，武泽铭，潘鹏飞，等.高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用J.能源与环保,2 0 2 2,44(0 3)：31-36,41.7郝从猛。下向钻孔机械破煤造穴快速卸压增透机制及瓦斯抽采技术研究D.徐州：中国矿业大学,2 0 2 1.8王亮，廖晓雪，褚鹏，等.瓦斯抽采穿层钻孔钻扩造穴卸压增透机理研究J.煤炭科学技术，2 0 2 1,49(0 5)：7 5-8 2.9岑培山，田坤云，魏二剑，等.基于煤与瓦斯突出能量理论的钻孔造穴诱突技术及工程实践J.矿业安全与环保,2 0 2 2,49(0 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