基于鉆沖壓協調作業的煤層卸壓增透技術

楊程濤 ，武騰飛 ，張衛華 ，熊俊杰

（1.河南能源集團研究總院有限公司，河南 鄭州 450046；2.河南省低滲突出煤層煤與瓦斯共采工程技術研究中心，河南 鄭州 450046；3.鶴壁煤電股份有限公司 第六煤礦，河南 鶴壁 458006）

河南能源集團有限公司下屬礦井大多為單一煤層，尤其是鶴壁礦區，開采條件復雜，煤層平均厚度在8.0 m 左右，區域內煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，瓦斯治理難度大。礦區常采用底抽巷穿層施工鉆孔進行水力化措施后預抽煤層瓦斯的方式治理瓦斯，在現場應用的同時，暴露出諸多問題：首先，煤礦井主要常規液壓鉆機進行鉆孔的施工，在施工過程中，由于鉆機的自動化程度較低，操作復雜，工作效率低，勞動強度大，降低底抽巷施工穿層鉆孔的工效；其次，施工人員在鉆機施工過程中，距孔口距離較近，在遭遇突發事件時，難以及時撤離，存在安全隱患；再次，普通鉆機施工在鉆孔鉆進過程中無法知道鉆孔軌跡和鉆頭層位，主要依靠人工經驗法來分析判斷鉆孔是否到達設計層位，判斷結果往往具有一定偏差、延遲和誤差；最后，由于水力化措施作業中煤體破碎卸壓導致大量游離瓦斯釋放，極易發生巷道瓦斯超限事故，施工安全得不到保障。

針對鶴壁礦區所存在的技術問題，提出以自動鉆機群打鉆-臨時封孔預抽-水力沖壓聯合卸壓增透的鉆沖壓協調作業技術模式[1-5]，以期提高數字化施工技術水平，達到減人提效、提高瓦斯抽采效果、降低勞動強度及保障施工安全的目的。

1 水力沖壓聯合卸壓增透機理

煤層瓦斯抽采水力化增透措施，目前主要有水力沖孔、水力壓裂、水力割縫、大直徑機械擴孔等方式[6-8]。其中水力沖孔和水力壓裂2 種增透方式在不同礦區都得到了廣泛的應用，但單一采用水力壓裂或水力沖孔技術都存在一定的局限性[9-10]。因此，考慮將2 種技術相結合，在同一瓦斯抽采單元同時進行水力沖孔和水力壓裂聯合卸壓增透抽采瓦斯技術，充分利用水力沖孔出煤卸壓為水力壓裂時煤體大范圍位移提供通道，利用水力壓裂開啟、擴展、延伸煤層裂隙，水力沖壓聯合卸壓增透技術具有導向和均勻化應力分布實現瓦斯抽采單元較大范圍卸壓增透作用，促進孔隙裂隙網絡的發育，從而極大的提高煤層透氣性，兩者各取所長，共同提高瓦斯抽采效率[11-16]。

水力沖壓聯合卸壓增透技術根據水力壓裂、水力沖孔實施的先后順序可分為2 種：①先進行水力壓裂后進行水力沖孔的先壓后沖聯合卸壓增透抽采技術；②先進行水力沖孔后進行水力壓裂的先沖后壓聯合卸壓增透技術。

水力沖壓聯合卸壓增透技術，能夠有效地擴大瓦斯治理單元煤層透氣性，達到高效抽采煤層瓦斯，在煤層瓦斯治理單元的兩端施工2 列水力沖孔鉆孔，盡量多沖出煤屑，接著在瓦斯治理單元中間布置2 個水力壓裂鉆孔，由于水力沖孔鉆孔為煤體彈塑性變形提供了空間，誘導壓裂過程中裂隙向水力沖孔鉆孔生成與擴展，形成整體的裂隙網絡，提高瓦斯治理單元整體透氣性[17-20]，達到瓦斯治理單元卸壓增透消突的效果。

首先，在瓦斯抽采單元兩端施工2 列水力沖孔控制孔，促使鉆孔多沖出煤體，水力沖孔孔洞周圍煤體產生塑性破壞，可實現水力沖孔孔洞周圍煤體的局部增透[20-21]；在瓦斯抽采單元中間布置水力壓裂孔，進行水力壓裂作業，在此過程中水力沖孔鉆孔為煤體整體彈塑性變形提供空間[22]。當壓裂作業造成的煤體產生彈塑性變形和位移，導致煤水渣從水力沖孔鉆孔排泄出來，在持續的水力壓裂作業下，瓦斯抽采單元裂隙網絡不斷擴展發育延伸，瓦斯抽采單元煤體整體大范圍破壞，裂隙充分發育，并又可以彼此相互地補充或貫通，形成立體裂隙網絡 ，地應力，瓦斯壓力在煤體彈塑性變形過程中應力集中得到充分釋放，鉆孔之間應力峰值下降，煤體透氣性提高，之后再補充一定數量的抽采鉆孔，可以達到卸壓增透的效果，提高單元整體抽采效率，達到減少鉆孔工程量、縮短預抽時間的效果。

2 水力沖壓聯合卸壓增透數值模擬

為了對比分析2 種工藝下的水力沖壓聯合卸壓增透瓦斯抽采效果，以鶴煤六礦煤層物理力學相關參數為基礎，進行先沖后壓和先壓后沖2 種工藝條件下的瓦斯抽采效果模擬，鶴煤六礦煤層物理力學相關參數為：①原始瓦斯壓力：2.0 MPa；②彈性模量：2 800 MPa；③吸附系數a：32.072 m3/t；④吸附系數b：1.009 MPa-1；⑤抽采負壓：13 kPa；⑥瓦斯動力黏度：1.05×10-5Pa·s；⑦孔隙率：0.068；⑧煤層密度：1 390 m3/t；⑨透氣率：2×10-15m2；⑩泊松比：0.28。

布孔方式以沿煤層走向30 m 為1 個瓦斯抽采單元。水力沖孔區域單列布置6 個鉆孔，沖孔水壓為8 MPa，沖孔出煤后鉆孔半徑為200 mm；2列沖孔孔洞間距為30 m，在2 排沖孔中間區域等距布置了2 個水力壓裂孔，孔徑為94 mm，壓裂水壓為24 MPa。

為了分析在抽采過程中的瓦斯運移情況，分別選取抽采30、60、90、180 d 時的瓦斯壓力云圖進行分析。抽采30、60、90、180 d 時的瓦斯壓力云圖分別如圖1～圖4。

圖1 抽采30 d 時的瓦斯壓力分布圖Fig.1 Gas pressure distribution of extraction at 30 d

圖3 抽采90 d 時的瓦斯壓力分布圖Fig.3 Gas pressure distribution of extraction at 90 d

圖4 抽采180 d 時的瓦斯壓力分布圖Fig.4 Gas pressure distribution of extraction at 180 d

可以看出：2 種工藝在抽采初期，抽采影響范圍基本呈圓形分布，不同梯度相同瓦斯壓力區域構成同心圓；抽采時間為90 d 時，抽采影響范圍逐漸增大，同心圓面積擴大，2 孔的抽采影響范圍開始有重疊重合的跡象，由于壓力的疊加效應以及兩孔之間的裂隙網更加發達等緣故，2 種工藝下的瓦斯抽采影響范圍都偏向于向2 孔的中心區域靠攏；抽采時間為180 d 時，瓦斯壓力進一步下降，云圖中的顏色更加淺，抽采影響范圍邊界有著向裂隙的尖端進行延伸的傾向。

對比2 種工藝下的抽采影響范圍發現：先沖后壓工藝下的影響范圍明顯大于先壓后沖，在相同抽采時間下，其煤層內的瓦斯壓力更低，云圖顏色更淺；盡管圖中先壓后沖工藝下的裂隙貌似較多，但是先沖后壓工藝能夠造就更多的微觀裂隙，以更大的孔隙率表現出來，對周圍煤體造成的破壞更大，形成的裂隙網絡更加發達；除此之外，先沖后壓造成的裂隙寬度更大，為瓦斯流動提供了更加通暢的運移通道，瓦斯抽采的效率也隨之增大，瓦斯壓力下降更快，影響范圍更廣。

為了更為清楚的研究不同抽采時間下鉆孔周圍的瓦斯有效影響半徑情況，按照河南省的相關文件規定，以0.6 MPa 瓦斯壓力作為抽采的有效影響半徑界定壓力，分析本次模擬瓦斯抽采有效影響區域。抽采30、60、90、180 d 時的有效抽采影響區域如圖5～圖8。

圖5 抽采30 d 時的有效抽采影響區域Fig.5 Effective extraction impact area of extraction at 30 d

圖6 抽采60 d 時的有效抽采影響區域Fig.6 Effective extraction impact area of extraction at 60 d

圖7 抽采90 d 時的有效抽采影響區域Fig.7 Effective extraction impact area of extraction at 90 d

圖8 抽采180 d 時的有效抽采影響區域Fig.8 Effective extraction impact area of extraction at 180 d

可以看出：在抽采前期，瓦斯抽采的有效區域以抽采孔為圓心緩慢擴大，在抽采時間90 d 之前，其有效區域都不夠明顯，難以從圖中肉眼觀察出來；當抽采實際達到90 d 時，有效抽采區域開始逐步顯現，沿著裂隙方向延展；當抽采時間達到180 d 時，先沖后壓情況下的兩孔有效影響區域發生了重合，且有向2 鉆孔中心區域靠攏的趨勢，整體上呈“∞”形分布，這是因為由于壓力的疊加效應以及2 孔之間的裂隙網更加發達等緣故造成的，且其在水平方向上的最大抽采影響半徑大于在垂直方向上的最大抽采影響半徑，這恰是先沖后壓工藝下的裂隙更傾向于在水平方向上發展的緣故；而先壓后沖情況下的2 孔有效影響區域并沒有發生重合，但是仍然有向2 鉆孔中心區域靠攏的趨勢，且其有效影響區域是沿著水平與垂直裂隙的方向進行擴展的。2 種工藝下的瓦斯有效抽采影響區域面積的增大速率是上升的，這是由于隨著有效區域的擴大，更多裂隙網被納入其中，相互貫通，進一步提升了抽采速率。

通過比較2 種沖壓聯合增透技術的有效抽采影響區域和瓦斯壓力分布情況，現場井下采用先沖后壓水力聯合卸壓增透技術進行工業性試驗。

3 現場工程試驗

3.1 鉆沖壓協調作業設備

自動鉆機為ZYWL-4000SY 型煤礦用分體履帶式全液壓鉆機，鉆機主要由副車、操縱臺、遙控器、行走操作臺、履帶車、提升架、動力頭、機械手、傳感器 總成、機架、對頂夾持器、提升架、鉆桿箱、錨固組件和鉆具等部分組成。該鉆機具有全自動鉆進、大容量鉆桿自動裝卸、鉆孔姿態自動調節、遠距離自動控制、鉆孔煤巖界面識別等功能。

水力沖壓聯合卸壓增透設備還包括沖壓聯合鉆機、高壓密封鉆桿、鉆頭、高壓旋轉水尾、高壓水泵、高壓膠管、高壓閘閥及耐高壓封孔器等。

臨時封孔器采用自主研發的礦用臨時封孔器，主要由中心管、密封件和控制閥門構成。中心管由前端、中端和末端3 部分連接構成。密封件主要由膨脹膠管和密封金屬件構成?？刂崎y門主要由閥門、高壓膠管、管接頭和壓力表等構成。中心管采用新型輕質碳纖維材料，代替了傳統的鋼制管，大大降低封孔器自重，降低工人勞動強度，提高工作效率。利用膨脹膠管的沖壓膨脹使其緊緊地固定在鉆孔壁上，卸壓時膨脹膠管在其自身韌性的作用下恢復原狀，取出封孔器，該封孔器可重復使用。

3.2 試驗方案

鶴煤六礦3001 工作面內煤層賦存穩定，主采煤層為二1煤，平均煤厚8.78 m，煤層傾角27°～30°；工作面埋深602.04～692.12 m。工作面斜長154.65 m，可采走向長1 657.73 m，煤密度1.38 t/m3，煤層最大瓦斯含量為13.79 m3/t，瓦斯壓力為1.4～2.6 MPa，煤層有效抽采半徑為2.73 m；煤層透氣性系數為1.43～1.99 m2/(MPa2·d)，鉆孔流量衰減系數為0.019 2 d-1，屬可抽放煤層。

在3001 上底抽巷的82#～95#鉆場開展鉆沖壓協調作業技術模式應用試驗，每個鉆場共2 排鉆孔，各鉆場鉆孔排間距為2.5 m，鉆孔間距0.5 m，每組鉆場16 個鉆孔。以壓裂半徑15～20 m 進行壓裂單元設計及壓裂鉆孔布置。共布置2 個試驗單元：①82#～88#鉆場為第1 試驗單元，采用鉆沖協調作業方式進行施工；②89#～95#鉆場為第2 試驗單元，采用常規水力沖壓聯合卸壓增透作為考察對比單元，每個單元分別安裝1 套在線監測計量儀，對瓦斯抽采參數進行考察。第1 試驗單元以82#鉆場為起始，第2 試驗單元以89#鉆場為起始，以壓裂控制范圍15 m 進行布置，根據壓裂鉆場中鉆孔的終孔點間距，結合壓裂半徑的影響范圍，選擇85#、92#鉆場中的7#和15#鉆孔為壓裂鉆孔（2個試驗單元共計4 個壓裂孔）。鉆孔布置示意圖如圖9，壓裂孔參數見表1。

表1 壓裂孔參數表Table 1 Fracture hole parameters table

圖9 鉆孔布置示意圖Fig.9 Drill hole arrangement schematic

鉆沖壓協調作業工藝施工順序：在3001 上底抽巷內30 m 鉆沖壓協調作業試驗單元施工2 列水力沖孔鉆孔，經過臨時抽采后，全部進行沖孔；在2 列水力沖孔鉆孔中間施工2 個水力壓裂鉆孔，經過臨時抽采后，進行壓裂，然后再施工其余抽采鉆孔。

1）利用自動鉆機群（4 臺自動鉆機）施工82#、88#鉆場第1 列鉆孔（1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#），鉆孔施工完成后，自動鉆機群不再進行水力化措施作業，直接開新孔施工。

2）對所施工的抽采鉆孔采用臨時封孔器進行封孔連抽，同時，利用自動鉆機施工85#鉆場7#、15#2 個水力壓裂鉆孔，距離原先施工的2 列水力沖孔鉆孔15 m。

3）臨時抽采一定時間（7 d）或瓦斯體積分數小于20%后，取下臨時封孔器，利用水力沖壓聯合鉆機進行水力沖孔作業（單孔出煤量暫按6～8 t 計），沖孔結束后及時連抽，作為卸壓通道。

4）對85#鉆場7#、15#2 個水力壓裂鉆孔進行水力壓裂，水力壓裂施工結束后，按照設計采用自動鉆機群施工85#鉆場及試驗單元其他鉆場的其余鉆孔。

5）臨時抽采一定時間（7 d）或瓦斯體積分數小于20%后，取下臨時封孔器，利用水力沖壓聯合鉆機進行水力沖孔作業（單孔出煤量暫按6～8 t 計），沖孔結束后及時連抽。

3.3 試驗過程

根據試驗要求，結合礦上生產安排，在3001上底抽巷82#～88#鉆場實施第1 試驗單元的試驗場地，鉆孔設計深度21～68 m，傾角12°～85°，方位角109°～278°。于2022 年3 月1 日開始施工鉆孔，至2022 年4 月15 日完成試驗單元內所有工序，共鉆孔112 個，終孔直徑均為94 mm，總進尺為4 012.5 m。其中采用井下無線遙控器操作自動鉆機施工3 個鉆場鉆孔，共計48 個鉆孔，總進尺1 719 m；采用地面遠距離控制模式控制4 臺自動鉆機聯動聯控施工4 個鉆場鉆孔，共計64 個鉆孔，總進尺2 293.5 m。

1）試驗前期，使用單臺自動鉆機施工穿層瓦斯抽放孔，采用井下無線遙控器操作單臺自動鉆機施工。鉆機鉆進與退鉆均為全自動施工，每臺鉆機每班只需配置1 人，進行操作鉆機、添加鉆桿、記錄現場情況、除渣等工作。

2）試驗中后期，使用自動鉆機群（4 臺自動鉆機）施工穿層瓦斯抽放孔，采用地面遠距離控制模式控制4 臺自動鉆機聯動聯控進行鉆孔施工，單班施工人數為3 人，其中地面1 人進行操控鉆機，井下2 人進行輔助作業。

3）試驗過程中，對試驗單元內實施期間巷道瓦斯體積分數進行統計，施工期間相關地點無打鉆施工，因此以六礦3001 上底抽巷打鉆處瓦斯傳感器的數值作為分析參考依據。

水力強化前：3001 上底抽巷打鉆處瓦斯體積分數在0.07%～0.13%之間波動，取其平均值0.10%。

水力強化期間：3001 上底抽巷打鉆處瓦斯體積分數在0.15%～0.21%之間波動，平均值0.18%。

4 效果考察

4.1 施工工效考察

根據鶴煤六礦3001 上底抽巷2 個試驗單元的施工考察情況，對2 種不同作業模式在施工過程中需要的作業人員數量、作業時間進行了統計，鉆機施工過程中所用作業人員和作業時間對比見表2。

表2 鉆機施工過程中所用作業人員和作業時間對比Table 2 Comparison of operators and operating time used in the construction process of the drilling rig

水力化措施期間風流瓦斯體積分數：采用鉆沖壓協調作業模式回風流瓦斯體積分數平均為0.18%；常規水力沖壓聯合作業模式回風流瓦斯體積分數平均為0.30%。

完成試驗單元所有工序所耗費的時間：采用鉆沖壓協調作業模式試驗耗時46 d；常規水力沖壓聯合作業模式試驗耗時89 d。

從現場試驗中可以看出：

1）使用自動鉆機進行鉆孔施工，其自動化程度高，采用井下無線遙控器操作單臺自動鉆機施工，將單臺單班人數由3 人減至1 人，進行操作鉆機、添加鉆桿、記錄現場情況、除渣等工作；采用地面遠距離控制模式控制4 臺自動鉆機聯動聯控施工，4 臺鉆機將單班施工人數由12 人減至3 人，其中地面1 人進行操控鉆機，井下2 人進行輔助作業。減員效果和人均效率提升十分顯著，大幅減輕了井下瓦斯治理鉆孔的勞動強度，提高了現場安全性。

2）采用鉆沖壓協調作業技術模式，實現了井下鉆孔施工、水力化措施施工的規?；?、連續化：自動鉆機群負責鉆孔施工，鉆孔施工完成后自動鉆機群不再進行水力化措施作業，直接開新孔施工鉆孔；水力沖壓聯合鉆機負責水力沖孔、水力壓裂等水力化措施的施工，極大提高了工作效率。

3）采用鉆沖壓協調作業技術模式，抽采鉆孔施工完成后，對其進行臨時抽采，使鉆孔內的游離態瓦斯經過抽采后大幅減少，降低了水力化措施施工期間巷道瓦斯超限事故發生的頻率，有效保障了施工的安全。

4）采用鉆沖壓協調作業技術模式完成試驗單元內所有工序用時46 d，采用常規水力沖壓作業模式完成試驗單元內所有工序用時89 d，使頂（底）板巖巷內施工穿層鉆孔治理瓦斯的施工工效在同等地質條件提高48%。

4.2 瓦斯抽采效果考察

為對比分析鉆沖壓協調作業技術模式和常規水力沖壓作業模式的瓦斯抽采效果，在鶴煤六礦3001 上底抽巷分別進行了鉆沖壓協調作業技術模式、常規水力沖壓作業模式等煤層強化抽采試驗。瓦斯體積分數變化曲線如圖10，瓦斯日抽采純量變化曲線圖如圖11。

圖10 瓦斯體積分數變化曲線Fig.10 Variation curves of gas extraction concentration

圖11 瓦斯日抽采純量變化曲線圖Fig.11 Graph of the variation of the daily pure volume of gas extraction

連抽60 d 時段內，采用鉆沖壓協調作業的試驗單元平均瓦斯體積分數為59.39%；而常規水力沖壓的試驗單元鉆孔平均為45.32%。鉆沖壓協調作業試驗單元的鉆孔平均瓦斯體積分數是常規水力沖壓試驗單元的1.31 倍。采用鉆沖壓協調作業試驗單元的平均瓦斯日抽采純量為145.94 m3/d，而常規水力沖壓試驗單元的鉆孔平均為81.31 m3/d；鉆沖壓協調作業試驗單元鉆孔平均日抽采純量是常規水力沖壓試驗單元的1.79 倍，鉆沖壓協調作業試驗單元的瓦斯抽采純量較常規水力沖壓試驗單元有了較大提高。

5 結 語

1）提出了以自動鉆機群打鉆—臨時封孔預抽—水力沖壓聯合卸壓增透的鉆沖壓協調作業技術模式。自動鉆機負責鉆孔施工，鉆孔施工完成后自動鉆機不再進行水力化措施作業，直接開新孔施工鉆孔。水力沖壓聯合作業機負責水力化措施增透的施工。

2）鉆沖壓協調作業技術模式充分發揮了自動鉆機群連續打鉆、快速作業、減員提效的優勢，實現了井下鉆孔施工、水力化措施施工的規?；?、連續化；使頂（底）板巖巷內施工穿層鉆孔治理瓦斯的施工工效在同等地質條件提高48%；抽采鉆孔施工完成后，對其進行臨時抽采，使鉆孔內的游離態瓦斯經過抽采后大幅減少，降低了水力化措施施工期間巷道瓦斯超限事故發生的頻率，有效保障了施工的安全。

3）在鶴壁礦區六礦開展工業試驗，應用效果顯著。鶴煤六礦采用鉆沖壓協調作業工藝的鉆孔平均瓦斯體積分數是常規水力沖壓措施的1.31 倍，采用鉆沖壓協調作業工藝單元鉆孔平均日抽采純量是常規水力沖壓措施的1.79 倍，鉆沖壓協調作業工藝單元的抽采純量較常規水力沖壓單元有了較大提高。