低滲透煤層注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)

常 東

（潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 晉城 048000）

1 工作面地質(zhì)情況

夏店煤礦3116 工作面因為陷落柱X2的緣故被分成三個回采面，其工作面情況見表1，巷道布置圖如圖1所示。3116 工作面所采3#煤層地質(zhì)情況為： 1～3m厚的泥巖直接頂， 5～15m厚的細砂老頂，0.3～0.5m厚的偽頂，0.8～1.4m厚的直接底，6.8～9.01m厚的細砂巖老底。工作面煤層原始瓦斯含量為 2.4～8m3/t，瓦斯壓力 0.18～0.39MPa，煤體堅固性系數(shù) 0.5，透氣性系數(shù) 0.053m2/（MPa2·d）。3#煤層沒有臨近煤層實施保護層開采，且煤層滲透率為 0.0038～2.2430×10-3μm3，為典型的單一低滲透煤層。在回采期間，瓦斯抽放率和絕對涌出量預(yù)測值分別為30%和14.6m3/min，屬于瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。在夏店礦+770m水平31采區(qū)3116工作面進行高壓注水驅(qū)替促抽治理瓦斯試驗，且將3116工作面（外 2）回巷區(qū)域的81～90#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域、 48～54#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域和105～112#抽采鉆孔聯(lián)孔區(qū)域等三個區(qū)域設(shè)為注水試驗點進行現(xiàn)場高壓注水。

表1 3116工作面情況表

2 瓦斯治理技術(shù)分析

3116工作面原始瓦斯含量為2.4～8m3/t，相對較高。鉆孔預(yù)抽的范圍是在工作面外450m的區(qū)域，該工作面里段瓦斯含量比外段低。三個回采面的回采階段都要開展上隅角埋管、裂隙帶鉆孔抽采，只有外2回采面在回采前需要開展本煤層預(yù)抽。工作面抽采鉆孔布置示意圖如圖2所示。

（1）回采前進行本煤層預(yù)抽。在此工作面外450m的區(qū)域內(nèi)，在回巷鉆135個孔，在運巷鉆210個孔，兩個巷道設(shè)計鉆孔的深度一樣，均為110m，孔與孔之間都需要間隔2.5m，與巷道之間成90°夾角，兩個巷道鉆孔的總長為39500m。

（2）回采階段的裂隙帶抽采?；夭呻A段工作面需要采取裂隙帶抽采，從距切眼65m的區(qū)域進行施工，到3116 回巷回風(fēng)繞道外50m處結(jié)束，期間需要施工450個巖孔，總長為49500m。

圖1 3116工作面巷道布置示意圖

圖2 工作面抽采鉆孔布置示意圖

3 高壓注水驅(qū)替促抽瓦斯工業(yè)試驗

3.1 技術(shù)原理

由于夏店礦 3116 工作面的滲透率較低，導(dǎo)致3#煤層瓦斯抽采效果不理想、瓦斯衰減快和預(yù)抽范圍小等問題。采用高壓注水驅(qū)替促抽瓦斯技術(shù)，在抽采鉆孔之間布置注水鉆孔，注入高壓水，在煤層中的高壓水會對瓦斯產(chǎn)生驅(qū)替和置換解析作用，在高壓水的驅(qū)替和置換解析作用下，可以使相鄰抽放鉆孔的瓦斯?jié)舛仍黾?，從而提高抽采瓦斯流量。同時，高壓水還可以使煤層得到潤濕，煤體增加水分，減少粉塵的產(chǎn)生。技術(shù)原理圖見圖3。

圖3 技術(shù)原理示意圖

3.2 試驗方法

（1）采用順層抽采方式，在煤層1中鉆孔2、3、4，且交替布置，然后用長度16m、外徑75mm的抽采管5、6、7和封孔材料進行封孔，形成8、9、10封孔段，且長度不小于8m，最后連接抽采管路，完成抽采。

（2）抽采工作開展一段時間以后，抽采鉆孔處的抽采濃度和瓦斯流量明顯減小，只采用延長抽采時間的方式很難達到預(yù)期的抽采效果。依據(jù)孔內(nèi)封孔的理念，把抽采孔3當(dāng)成注水孔，并在抽采管6中插入膨脹封孔器11，封孔器的外部直徑為55mm，其長度為1～1.5m，極限工作壓力可達10MPa。

（3）采用高壓膠管12把膨脹封孔器11首先和高壓閥門13連接，然后再和注水流量計14和高壓注水泵15進行連接。井下供水管16再與高壓注水泵進行連接。除此之外的兩個抽采孔（2和4）連接方式不變，繼續(xù)抽采工作。

（4）將高壓注水泵產(chǎn)生的6～8MPa的高壓水通過鉆孔3向煤層注水，安裝的注水流量計14可以顯示注水流量和壓力。注水時，鉆孔2、4的負壓參數(shù)及抽采濃度和流量可以通過抽采管觀測孔和孔板流量計17、18觀測到。

（5）間隔注水和連續(xù)注水是常用的兩種注水方式。確定注水時間的長短應(yīng)考慮注水壓力、鉆孔間距及煤層實際條件等因素，注水48～96h以后，抽采鉆孔2、4內(nèi)不能進水。關(guān)閉閥門13，停止注水泵，封孔器繼續(xù)封孔，孔內(nèi)的高壓水則向煤層慢慢滲透。鉆孔布置圖見圖4，夏店礦3116 工作面鉆孔施工參數(shù)如表2所示。

圖4 鉆孔布置示意圖

表2 鉆孔參數(shù)表

3.3 試驗過程

（1）封孔方法

注水專用封孔器由鋼絲膨脹膠管、泄壓閥、快速接頭組成，安裝方便，只需要與作業(yè)現(xiàn)場水路連接，完全插入鉆孔內(nèi)，在一定壓力下，封孔器膠管膨脹實現(xiàn)封孔、注水破煤。使用鋼絲膠管封孔器對抽采管進行封孔，不僅封孔效果較好，也避免了封孔不嚴(yán)的情況出現(xiàn)。這種封孔器是可以重復(fù)利用的，它在注水結(jié)束卸完壓力后即可恢復(fù)原樣。表3為封孔器的主要設(shè)計參數(shù)。

表3 封孔器技術(shù)參數(shù)表

（2）注水泵的選擇

根據(jù)現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)動壓注水形式更適合3116回風(fēng)巷的煤層抽采瓦斯試驗。該試驗選取高壓注水泵，為防止注水泵動力端磨損嚴(yán)重，潤滑時使用強制與飛濺兩種方式同時使用，柱塞需要配備調(diào)壓閥與溢流閥，采用強制冷卻進行制冷。泵組由溢流閥、泵、聯(lián)軸器、壓力調(diào)節(jié)閥、聯(lián)軸器護罩、底座和礦用防爆電動機等組合而成。泵軸的驅(qū)動采用電動，臥式安裝，需三個柱塞，直徑是Φ23mm，i=3.75，410r/min的額定轉(zhuǎn)速，25MPa的工作壓力。

（3）試驗過程

2018年9月～10月兩個月主要在試驗區(qū)域測定瓦斯抽采參數(shù)，通過對這些參數(shù)的研究計算確定最佳注水時機。前期工作做完后，在2018年10月22日之后，主要工作改為安裝流量計，將四寸孔板流量計裝在 47～55#、80～89#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域，106～113#區(qū)域裝匯流管電子流量計，注水試驗到2018年12月中旬完成。

4 注水抽采瓦斯試驗結(jié)果

在48～54#抽采孔聯(lián)孔區(qū)域共完成了3組注水試驗，注水孔分別為49#、51#和53#孔。48孔單孔濃度是11%，注水時濃度為26%，提高了1.6倍；49孔的注水壓力9MPa，注水時間為39min，注水量為1.6m3；50孔單孔濃度12%，注水時濃度達到24%，提高了1倍。從三個孔的注水結(jié)果來看，注水時瓦斯混合流量至0.86m3/min，提高3倍。單鉆孔平均混合量由原先的0.07m3/min提升到0.17m3/min。從中可以看出采用高壓注水的方式，抽采瓦斯效果較好。 51孔和52孔相鄰，注水壓力是9MPa，注水7min后與52孔打穿，從52孔流出水。50、52孔注水后濃度是19%、26%，相比較注水前濃度的10%與11%，提高了1倍。53孔采取靜壓與動壓注水兩種方式，靜壓注水為90min，動壓注水為45min，注水壓力分別是4.5MPa與7MPa。53孔注水前瓦斯?jié)舛葹?%，注水后瓦斯?jié)舛葹?1%，提高6倍左右。54孔注水前瓦斯?jié)舛葹?2% ，注水后瓦斯?jié)舛忍岣叩?6%，提高了1.2倍。該區(qū)域?qū)嵤└邏鹤⑺椴赏咚剐Ч^好，尤其是49抽采孔對相鄰抽采孔（48、50抽采孔）效果最為顯著（見表4）。實施注—抽鉆孔間隔布置高壓注水大大增加了相鄰48、50抽采孔的瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁?，?lián)孔區(qū)域瓦斯純流量在原來的基礎(chǔ)上增加了5倍，注水驅(qū)替促抽瓦斯持續(xù)周期能夠維持在10d左右。

表4 鉆孔抽采參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）使用鋼絲膠管封孔器對抽采管進行封孔，不僅使封孔效果較好，避免封孔不嚴(yán)的情況出現(xiàn)，封孔器可以重復(fù)利用，在注水結(jié)束卸掉壓力后即可恢復(fù)原樣。

（2）現(xiàn)場注水試驗顯示：注水時隨著注水壓力的增高，水對瓦斯的驅(qū)替作用較強，鄰近的抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛扰c瓦斯流量都增加的非常快；長時間注水后注水壓力會變小，水對瓦斯解吸作用較強，此時相鄰近的抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛扰c瓦斯流量增加的不明顯，是個相對穩(wěn)定的過程。注水抽采瓦斯持續(xù)時間大概在10d。

（3）實踐證明，夏店煤礦3116工作面3#煤層采用高壓注水驅(qū)替促抽治理瓦斯技術(shù)，大大提高單一低滲透煤層瓦斯抽采效果，也為類似條件煤層的瓦斯治理提供了借鑒。