潘三矿强突煤层群立井水力扩孔综合增透技术

陈宿

陈宿

淮南矿业集团潘三矿232096

摘要：强突低透气性煤层群揭煤，区域消突钻孔穿多层煤施工，施工难度大，煤层增透措施难以达到预期效果，抽采效果差，造成严重安全生产隐患。为提高煤层透气性，提高抽采效果，结合水力压冲和钻孔掏穴增透原理，潘三矿提出了立井水力扩孔综合增透技术，采用20MPa水压进行水力扩孔，共冲出煤量46吨，压裂有效影响区域单孔抽采纯量增加314.9%。

关键词：强突煤层群立井水力扩孔增透抽采效果

1.工作面概况

-730～-960m联络斜巷（下段）自-817m水平22°下山施工至4煤底板，巷道依次揭露为8、7-2、7-1、6-2、6-1、5-2、4-2、4-1共8层煤，巷道全长489m，截止2015年5月底，巷道已施工至距5-2煤法距7m处停头，目前正在对5-2、4-2煤采取消突措施。5-2煤厚4.3m，与4-2煤层间距约7.4m。5-2煤顶板为细砂岩，厚18.0m。底板为砂质泥岩，厚3.55m。-730～-960m联络斜巷（下段）揭5-2煤处预计煤层底板标高-895.4m，该处实测瓦斯压力1.8Mpa，瓦斯含量6.8m3/t。

水力压冲专用巷道在-817m水平车场南大巷JS3点向北37.089m以21°方位角施工，巷道长度26.9m。巷道施工至正对-730～-960m联络斜巷（下段）揭5-2煤上方，巷道顶板标高-814m，与5-2煤垂距74m。在水力压冲专用巷道迎头钻场内施工￠246mm垂直钻孔，采用￠177.8mm石油套管固管工艺，利用钻孔对5-2煤进行水力压冲扩孔。

2.水力扩孔增透技术工艺设计

综合水力压冲增透技术和钻孔掏穴增透技术技术优点，根据-730~-960联络斜巷揭5-2煤煤层赋存以及瓦斯情况，采用水力扩孔增透技术。

利用距5-2煤层顶板74m的水力压冲专用巷道施工大直径立孔穿过5-2煤进行水力压冲，达到水力化压冲目的。利用在揭煤巷道迎头施工3个平孔，与立孔在5-2煤层中贯通作为水力压冲后出水、煤钻孔，大量煤体被冲出达到扩孔目的。从而达到水力扩孔综合增透目的，提高煤层瓦斯抽采效果，实现安全高效消突。

2.1.1钻孔施工工艺

钻孔采用￠133mm复合片钻头开孔，施工导向孔、然后分级扩孔成￠246mm孔径。钻孔因穿地质破碎带及8、7、6煤层，为方便钻孔成型，钻孔全孔采用泥浆循环排渣施工工艺。在预计钻孔施工至距离5-2煤顶板2m终孔、停钻，采用泥浆冲净孔内岩粉，确保孔底无淤塞。

2.1.2钻孔封孔工艺

（1）钻孔施工结束后，采用“两堵一注”带压封孔，注水泥砂封孔固管。钻孔下￠177.8*9.19mm石油套管至孔底，采用清水冲洗替换孔内泥浆，利用压风多次对钻孔进行吹水，清理钻孔，保持孔内无水。

（2）套管外下4分注浆管12m，于孔口向里10m段设置外堵头，外堵头长度不小于10m，堵头采用聚氨酯封孔器制作。待外堵头聚氨酯发酵凝固后，用注浆泵将调好的水泥浆液通过孔口的注浆管注入孔内，待孔口石油套管返浆后，及时关闭石油套管孔口闸阀，继续反复适量注浆，直至注浆压力达到4Mpa并稳压30min。

（3）注浆泵采用ZBY-50/7型煤矿用液压注浆泵;水泥浆液按水:水泥=0.7:1配制(质量比)；聚氨酯按1:1比例配比使用(A、B药各4.6kg)；计量桶使用油桶自制（不小于100升，内有刻度。35Kg水在搅拌桶内深度约154mm）。

2.1.3钻孔透孔、试压、掏穴工艺

钻孔封孔(注浆)结束48小时后，往孔内压清水试压，当压力达30Mpa时稳压半小时。试压合格后，采用￠153mm钻头进行透孔，直至透过5-2煤。透孔结束后对5-2煤进行分级掏穴，掏穴孔径从￠260mm直至￠360mm，钻孔施工结束。

2.2.1钻孔施工工艺

钻孔施工采用￠94mm复合片钻头、Φ73mm肋骨钻杆施工。钻孔施工岩石段采用压力水排渣，施工至距离5-2煤5m孔深，换压风排渣，直至终孔。钻孔穿过5-2煤底板1.0m以上。起钻过程中使用压风扫孔，确保孔内通畅。

2.2.2钻孔封孔工艺

采用“两堵多注”带压封孔，封孔至见煤前5m。下套管至煤孔内1m处，钻孔全孔采用Φ108mm岩芯管作为封孔套管。采用聚氨酯于孔内见煤点套管处设置封孔内堵头，于孔口向里1.5m套管处设置封孔外堵头，内外堵头长度不小于1.5m。采用ZBY-50/7型煤矿用液压注浆泵进行注浆，采用多次带压注浆封孔防水。水泥浆液按水:水泥=0.7:1配制(质量比)；聚氨酯按1:1比例配比使用(每孔A、B药各4.6kg)；计量桶使用油桶自制（不小于100升，内有刻度。35Kg水在搅拌桶内深度约154mm）。

2.2.3打压试验

封孔结束至少48小时后进行打压试验，采用30Mpa水压进行打压，稳压时间不少于30分钟。

2.3压冲设备选型设计

使用W200/56智能化注水泵及其配套设备，工作压力可以达到56Mpa，出水量200L/min，配备电机功率185Kw。注浆泵采用ZBY-50/7型煤矿用液压注浆泵。

注水泵安设在独立通风系统巷道-817~-832m矸石胶带机斜巷内，并与出水孔巷道内监控探头实现瓦斯电闭锁。将井下供水管连接至高压注水泵的水箱，水流量表安设在泵的进水侧，通过注水泵加压后，采用双￠19mm高压胶管以及快速接头连接到注水孔内石油套管进行压冲。

3.现场试验

3.1安全管理

3.1.1瓦斯管理

水力压冲设备与出水钻孔巷道内监控设备实现瓦斯点闭锁功能，当巷道内瓦斯浓度达0.8%时能及时切断工作面回风流内所有非本质安全型电气设备以及水力压冲设备电源。

注水泵智能化，自动控制注水压力不大于20MPa。压冲可视化，在注水钻孔以及出水钻孔分别安设视频监控系统，全过程观察压冲情况，出现异常可及时停止压冲。

巷道内安设双路￠325mm抽采管路至迎头，与地面2BEF-72瓦斯抽采泵连接，并在巷道内准备好汽水分离装置备用（汽水分离装置采用2BE1-403瓦斯抽采泵泵汽水分离装置制作），若水力压冲过程伴随大量瓦斯气体，则立即停止压冲启用汽水分离装置。

3.1.2出货排水管理

完善排水、出货系统，安设自动排渣泵确保排水系统畅通，安设40Z链板机到巷道迎头为及时出货提供保障条件。

3.2水力压冲试验

为降低实验过程中的安全风险，做到巷道内瓦斯浓度可控，水力压冲分两阶段进行，先采用静压水冲孔后采用高压水压冲。

3.2.1静压水冲孔阶段

4月27日至5月15日，采用静压水进行冲孔，冲孔压力保持在3.5~4Mpa，每小班冲孔3~4小时。冲孔过程中，安排专人对迎头进行观察。静压水冲孔使Z1#孔直接与C1#孔沟通，水煤流从C1#钻孔孔喷出，总计注水量250m3，冲出煤量20吨。

3.2.2高压水压冲阶段

5月17日班至6月3日，关闭C1#孔，采用注水泵高压注水压冲，压力控制到20Mpa以下，压裂后Z1#孔与C2#、C3#孔沟通，水、煤从C2#、C3#孔喷出，总计注水量268m3，压出煤量26吨。

3.3压冲试验数据监测

3.3.1在静压水压冲阶段。采用在高压水管上安设水压表和流量计进行冲孔参数收集。在高压压冲实施过程中，从W200/56智能化注水泵及其配套设备仪表监测注水压力与流量。并利用视频监控系统监控注水孔周边变化情况，采用远距离操作。

3.3.2在-730～-960m联络斜巷（下段）迎头距第一汇风点10~15m范围内安设高低浓瓦斯传感器，在-730～-960m联络斜巷（下段）一路￠325mm瓦斯抽采管路上安设一套瓦斯抽采自动计量装置，同时监测在压冲过程中，巷道及抽采管路内瓦斯浓度变化情况。

4.水力扩孔效果考察

对5-2煤实施水力压冲后，考察防突措施孔的瓦斯抽采参数、压冲出煤量等。

4.1瓦斯抽采效果考察

-730m~-960m联络斜巷揭5-2煤经过水力压冲作业后，施工防突措施孔，措施孔从巷道轮廓线外15m向巷道中心线的顺序施工，两台钻机施工；平均单孔抽采纯量0.0148m3/min，百孔抽采纯量1.48m3/min。在-730m~-960m联络斜巷揭6煤时，实测6煤瓦斯压力1.5MPa，瓦斯含量6.7m3/t，平均单孔抽采纯量0.0047m3/min，百孔抽采纯量0.47m3/min。

经过对比得出，压裂有效影响区域单孔抽采纯量增加了314.9%。

4.2压冲煤量考察

每次压冲结束后，清理巷道内冲出的煤量，计算压冲实验出煤量。静压水冲孔总计用水250m3，冲出煤量20吨，高压水压冲后用水268m3，冲孔冲出煤量26吨；总计用水量518m3，冲出煤量46吨。

5.结论

5.1利用在井下施工立井穿煤层群技术，采用泥浆排渣，石油套管护孔技术。

5.2采用静压水和高压水相结合的压冲方式进行水力扩孔试验，实现了压出瓦斯安全可控，水、渣稳定排出。

5.3经抽采数据考察，百孔抽采纯量达1.48m3/min，单孔抽采纯量达0.0148m3/min，水力扩孔区域抽采纯量提高了314.9%。

5.4共压入水量518m3，压出煤量46吨，合计压出煤体体积32.8m3，形成巨大扩孔孔径，达到增透效果。

5.5控制压冲压力为20MPa，对煤体起到了水力压裂作用，提高了煤层透气性系数。

5.6达到了安全高效增透抽采目的，最终实现安全高效揭煤。

参考文献：

[1]王方强.水力压裂原理[J]化工矿山译丛，1991.2：16-19

[2]吴成兵.低透气性煤层高压水力压裂增透原理及应用[J]化工矿山译丛.2014：244-244

[3]何智慧，马新仿，熊廷松，郭子义，王怡.预测水力压裂井砂堵的新方法[J]科学技术与工程.2014，14（8）：156-159

作者简介：陈宿，（1983.），男，工程师，2006年毕业于安徽理工大学采矿工程专业，现在淮南矿业集团潘三矿通防科从事安全管理工作。