煤层瓦斯强化抽采水力增透技术综述

第31卷11期2019年11月中国煤炭地质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.31No.11Nov.2019doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2019.11.09文章编号:1674-1803(2019)11-0040-03山西省夏店煤矿瓦斯抽采钻孔水力造穴增透技术应用吕㊀毅,李忠群,刘小鹏(潞安集团慈林山煤业公司夏店煤矿,山西长治㊀046200)摘㊀要:夏店煤矿属于高瓦斯矿井,主采3#煤层,属于可以抽采煤层,近年来,通过大量的技术研究和实践,决定在井下采㊁掘工作面应用水力造穴增透技术进行瓦斯抽采㊂通过对水力造穴增透技术应用前后抽采数据采集㊁对比㊁分析,结果表明,回采工作面应用水力造穴增透技术后抽采效率提高5.77倍,预抽达标时间缩短17%;掘进工作面掘进速度提高到原掘进速度的1.5倍,且有效消除掘进工作面掘进时瓦斯突出的危险㊂数据分析说明了水力造穴增透技术是夏店煤矿治理瓦斯行之有效的措施,具有较好的推广应用前景㊂关键词:高瓦斯矿井;水力造穴;抽采量;抽采效率;瓦斯参数;巷道掘进中图分类号:P82㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AApplication of Gas Drainage Drilling Hydraulic Cavitation PermeabilityEnhancing in Xiadian Coalmine ,Shanxi ProvinceLyu Yi,Li Zhongqun and Liu Xiaopeng(Xiadian Coalmine,Cilinshan Coal Mine Company,Lu'an Group,Changzhi,Shanxi 046200)Abstract :The Xiadian coalmine is a gassy mine,mainly extracting coal No.3,a coal seam can be extracted through gas drainage.Inrecent years,through a mass of technical studies and practices,have decided to use drilling hydraulic cavitation permeability enhancingtechnology carry out gas drainage in underground winning and opening faces.The drainage data acquisition,comparison and analysisbefore and after application of the technology have shown that:after application,in coal faces,extraction efficiency improved 5,77times,predrainage time 17%shortened;in heading faces,advance rate improved 1.5times,and eliminated gas outburst hazard effec-tively during the heading.Data analysis has illustrated that the technology is effective measures to control gas issue in Xiadian coalmine;has better popularization and application prospect as well.Keywords :gassy mine;hydraulic cavitation;drainage volume;extraction efficiency;gas parameter;roadway heading第一作者简介:吕毅(1987 ),男,山西吕梁人,工程师,从事煤矿安全生产管理工作㊂收稿日期:2019-08-01责任编辑:樊小舟0㊀引言一直以来,矿井瓦斯灾害对煤矿安全生产和经济效益造成了严重的威胁和影响㊂随着煤炭资源开采深度的增加,对瓦斯治理提出了更加严格的要求㊂瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的基本途径,只有安全㊁合理㊁有效地进行瓦斯抽采,才能保证矿井安全高效生产㊂引进并应用瓦斯治理新技术是推进瓦斯抽采工作的基础,是确保工作面在有限的时间内达到预期抽放效果的依据㊂近年来,为解决夏店煤矿瓦斯抽采的问题,进行了大量的技术研究及实践,例如水力压裂㊁煤层注水等,虽然在瓦斯治理上取得了一定的成就,但仍没有达到有效的效果㊂水力造穴增透技术具有造缝卸压的双重作用,造缝可以增大钻孔内煤体暴露面积,提高煤层瓦斯透气性和瓦斯释放效率,卸压能够降低煤体内应力集中程度,因此决定在夏店煤矿采㊁掘工作面应用水力造穴增透技术进行瓦斯抽采㊂1㊀技术原理水力造穴主要利用高压水力射流,通过对煤层进行扩孔造穴,增加煤体暴露面积,给煤层内部卸压,为瓦斯释放和流动创造良好的条件,洞穴周围的煤体在一定范围内得到较充分的卸压,增大煤层的透气性㊂水力造穴可大大改善煤层中的瓦斯流动状态,为瓦斯排放创造有利条件,改变煤体的原始应力和裂隙状况,缓和煤体中的应力紧张状态,既可削弱或消除突出的动力,起到防突作用,又提高煤层透气性和瓦斯释放能力,提高钻孔抽采量㊂高压水力射流技术原理(图1)是利用高低压转换造穴装置通过装置内部活塞的移动来实现前端出水与喷头出水㊂低压水作用在活塞上,活塞不产生位移,水流通过该装置从钻头前端流出,达到冷却钻11期吕㊀毅,等:山西省夏店煤矿瓦斯抽采钻孔水力造穴增透技术应用41㊀头和排渣的目的㊂高压水作用在活塞上,活塞产生位移,前端通道被密封,水流在装置内部形成高压,从射流喷头处喷射㊂高压水经过射流喷头后被再次加速,喷射出的高压水流冲击煤体,破坏煤层原有的状态,使钻孔周围煤体脱落形成洞穴,煤层中储存的瓦斯得以释放并沿钻孔排出,以达到提高瓦斯释放效率的目的㊂图1㊀高压水射流冲击破碎煤体概念模型Figure 1㊀Conceptual model of high -pressure water jetcoal mass impact breaking2㊀技术应用背景夏店煤矿位于沁水向斜东翼,受区域构造的控制,煤矿总体为走向NE,倾向W 的单斜,在单斜上发育有小的褶曲,除在F11正断层(西川正断层)附近倾角较大(最大36ʎ)㊁小构造相对较发育外,井田广大区域小构造不发育,地层倾角为4ʎ~14ʎ,以往地质勘查和生产过程中已经发现11条断层和11个陷落柱㊂未发现有岩浆侵入现象㊂煤矿地质构造复杂程度属简单㊂2.1㊀矿井瓦斯赋存及抽采夏店煤矿3#煤层瓦斯储量为1480.02Mm 3,最大瓦斯含量为17m 3/t,回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为71.62m 3/min;单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为8.44m 3/min,采区最大绝对瓦斯涌出量为114.74m 3/min;矿井最大相对瓦斯涌出量为37.86m 3/t,最大绝对瓦斯涌出量为143.43m 3/min,为高瓦斯矿井㊂夏店煤矿在西风井工业场地建设一座瓦斯抽采泵站,瓦斯抽采泵站内建设高㊁低负压瓦斯抽采系统各一套,共安设4台2BEC87型水环式真空泵,高低负压各2台,一用一备㊂其中高负压抽采系统管路采用直径660mm 螺旋焊接钢管,低负压系统抽采管路采用直径630mm 螺旋焊接钢管㊂井下瓦斯治理采用采空区抽采㊁本煤层预抽㊁边采边抽㊁边掘边抽㊁邻近层卸压抽采等方法㊂2.2㊀应用的必要性夏店煤矿属于高瓦斯矿井,主采3#煤层,煤层透气性系数0.5240~1.7415m 2/(MPa 2㊃d),属可以抽采煤层㊂矿井瓦斯治理措施以顺层钻孔预抽煤层瓦斯为主,采用顺层钻孔进行预抽时,钻孔施工量大㊁抽采效率低,导致抽采达标时间长㊁现场使用效果差㊂为提高钻孔抽采流量,快速降低煤体瓦斯含量㊁增加煤层透气性,在施工抽采钻孔时应用水力造穴增透技术㊂3㊀技术应用情况夏店煤矿于2018年6月至2019年8月在井下3119备用工作面及31采区探巷掘进工作面应用该技术施工瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采㊂采用ZDY4500LXY 煤矿履带式液压钻机㊁高压BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站㊁KFS -50/11矿用振动筛式煤水分离器㊁配套钻具及其他附属装置㊂现以3119备用工作面为例对该技术的应用进行说明㊂3.1㊀煤层赋存情况3119备用工作面原始瓦斯含量为9.5~11m 3/t,瓦斯压力0.85MPa㊂工作面煤层为山西组中下部3#煤层,煤层厚度稳定,平均厚度为5.9m;顶板为泥岩,伪顶为灰质泥岩,老顶为细砂岩,底板为泥岩,老底为细砂岩㊂3.2㊀方案设计在3119备用工作面运输顺槽向回采工作面方向施工水力造穴钻孔(图2)㊂钻孔施工方式为本煤层,每10m 施工1个水力造穴钻孔,造穴钻孔单孔深度150m,水力造穴采用后退式造穴方式,造穴在孔底处开始,造穴直径1m,造穴长度1m,造穴间距8m,距孔口20m 位置停止造穴,单孔造穴16个㊂图2㊀水力造穴钻孔示意Figure 2㊀A schematic diagram of hydraulic cavitation drilling3.3㊀完成情况目前3119运输顺槽水力造穴钻孔已全部施工完成,共施工钻孔92个,累计钻孔施工进尺13800m (图3)㊂3.4㊀抽采效果分析1)模块抽采情况对比㊂3119运输顺槽抽采钻孔水力造穴增透技术应用结果表明(图4),水力造穴钻孔施工后,周边钻孔瓦斯体积分数提升明显,平均体积分数由6%提升至45%,单孔最高提升至90%㊂2)通过对3119运输顺槽单组模块抽采钻孔进行抽采数据计量分析发现,未造穴单组钻孔抽采量为0.2m 3/min,造穴后提升至1.3m 3/min(图5)㊂42㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质第31卷图3㊀3119运输顺槽水力造穴钻孔示意Figure 3㊀A schematic diagram of hydraulic cavitation drillingin haulage crossheading No.31993)3119运输顺槽抽采钻孔通过应用水力造穴增透技术后,顺槽内瓦斯抽采支管路体积分数达到45%,万米钻孔抽采量达到3.6m 3/min,较未进行水力造穴钻孔提高4倍,大大提高了抽采效率㊂受水力造穴钻孔活化周边钻孔因素影响,水力造穴后抽采效率为之前的5.77倍,理论上可将抽采达标时间缩短至原有的17%㊂3.5㊀瓦斯参数W㊁K 1值分析3119备用工作面在应用水力造穴增透技术前实测瓦斯含量最大为8.5m 3/t,K 1值最大为0.52L /g㊃min 1/2;在应用水力造穴增透技术预抽2个月后,实测工作面瓦斯体积分数最大为6.2m 3/t,K 1值最大为0.31L /g㊃min 1/2㊂使用该技术对煤层瓦斯进行预抽后,工作面瓦斯体积分数下降2.3m 3/t,K 1值下降0.21L /g㊃min 1/2㊂综上可知,在3119备用工作面进行煤层瓦斯预抽时,采用水力造穴增透技术不仅能提高抽采率,还能有效增加煤层内瓦斯解吸和排放的效率㊂图4㊀水力造穴钻孔施工前后周边钻孔瓦斯体积分数变化Figure 4㊀Peripheral boreholes gas volume fraction variation before and after hydraulic cavitationdrilling图5㊀水力造穴钻孔抽采区域抽采量对比Figure 5㊀Drainage volumes comparison of hydraulic cavitation borehole drainage areas4㊀结语夏店煤矿3#煤层透气性差,常规的瓦斯抽采技术不能有效的抽排瓦斯,抽采达标时间较长,并且影响巷道的快速掘进,通过水力造穴增透技术在3119备用工作面和31采区探巷掘进工作面实践应用,应用过程中取得了很好的瓦斯抽采和防突效果,缩短了工作面预期抽采达标时间,且掘进工作面掘进速度是采用常规钻孔预抽后掘进速度的1.5倍,说明夏店煤矿应用水力造穴增透技术进行瓦斯抽采是治理瓦斯行之有效的措施,达到了预期效果,保证了工作面安全生产,为今后瓦斯抽采设计提供了科学依据㊂参考文献:[1]刘明举,赵文武,刘彦伟,等.水力冲孔快速消突技术的研究与应用[J].煤炭科学技术,2010(03):58-61.[2]郭旭峰,李江涛.水力冲孔增透技术的数值模拟及现场应用[J].中州煤炭,2014(02):37-39.[3]石建文,韩柯,范毅伟,等.水力冲孔造穴瓦斯抽采强化机制及其在寺家庄矿的应用[J].煤矿安全,2017,48(08):109-112.。

潘三矿强突煤层群立井水力扩孔综合增透技术摘要：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。

281随着多年的经济发展，我国逐步步入全面建设小康社会的决胜阶段，煤炭资源是我国经济发张的重要保障。

随着开采年限的增加，越来越多的赋存条件较为复杂的煤层已经完成开采，煤层的开采逐步向着赋存复杂煤层转移。

瓦斯是煤层中含有的灾害性气体，瓦斯抽采不合理或抽采不完全会造成难以估量的后果[1，2]。

由于煤层渗透性差、瓦斯含量高、瓦斯压力大等造成瓦斯极难自由排出，所以提出水力压裂增透技术[3，4]，水力压裂增透技术是对煤层进行压裂，提升瓦斯抽采效果。

本文以某矿为研究对象，研究低渗透煤层水力压裂瓦斯抽采规律，为实现低渗透煤层瓦斯抽采提供一定的指导及借鉴。

1 原理分析水力压裂增透技术是在地应力的加载下，将高压水注入至低渗透煤层，在高压水的作用下，煤层出现压裂裂缝，裂缝起裂后根据地应力的作用发生偏转，达到改变煤层力学特性。

压裂后的煤层人工裂隙发育较好，达到瓦斯增透效果。

2 试验过程2.1 试验工作面概况根据马兰矿的实际地址情况，选定18503工作面的皮带巷和行人巷为本次水力压裂的实验地点。

皮带巷主要用于采区的通风和运输等，巷道预计服务年限11年。

该巷煤层为山西组中下部3#煤，煤层厚度5.23m~7.06m ，煤层平均厚度为5.93m。

煤层顶底板的岩性主要为细砂岩和砂岩。

煤层底板标高为+471m~+440m，水力压裂实验点的埋深为480m。

2.2 水力压裂钻孔布置及封孔水力压裂系统主要是由注液泵、压力表、封孔器及水箱等组成，煤层水力压裂系统示意图如1所示。

在进行水力压裂前对现场进行测试孔的瓦斯抽采实验，预先打好测试孔，随后将测试孔进行封堵，抽采瓦斯记录抽采数据。

完成测试孔的抽采后进行压裂孔1的压裂，打好钻孔后对压裂孔1封堵压裂，压裂完成后进行瓦斯抽采，记录瓦斯抽采数据，并将数据与测试孔抽采数据进行对比，为了保证实验结果的可靠性，重复上述步骤进行压裂孔2的施工与抽采，记录数据。

压裂孔水力压裂过程如下：图1 煤层水力压裂系统示意图在进行钻孔施工后对钻孔进行高压注水。

2017年第42卷第6期V ol.42 No.6能源技术与管理Energy Technology and Management19doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2017.06.006浅析下行穿层钻孔水力增透与瓦斯抽采的关键技术张少科S王岳栩2(1.郑州煤炭工业集团公司通风管理部，河南郑州450006;2.郑州煤炭集团公司白坪煤矿，河南郑州452400)[摘要]穿层钻孔水力增透后再进行抽放瓦斯的技术，已成为豫西煤矿“三软”煤层瓦斯治 理工作的主流方法，该方法主要是通过钻孔的水力增透泄压增加煤层透气性，进而提高瓦斯抽采效率，实现工作面的安全与高效生产。

针对下行钻孔执行水力增透后孔内积存大量水煤、严重影响水力增透与瓦斯抽采效果的问题，通过实例叙述了几项关键技术，具有一定的安全价值与社会效益。

[关键词]下行钻孔;水力增透；瓦斯抽采;关键技术[中图分类号]TD712+.62 [文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2017)06蛳0019蛳021背景介绍郑州华辕煤业公司为郑煤集团和华润电力集团共同出资组建，由郑煤集团控股的合资公司。

矿井位于新郑、长葛、尉氏三地交界处，属豫西新密煤田的东南部。

矿井设计生产能力2.4 M t/a，服务年限51 a，主采煤层为二i煤层，平均厚度为4.88 m，二！煤层瓦斯含量0〜16.33 m3/t，平均2.48 m3/t，该矿井属于煤与瓦斯突出矿井。

矿井基建期间施工的西翼轨胶联巷掘进至45 m处时，巷道底板距二1煤层法向距离7 m，预计再向前掘进45 m将揭露二1煤层。

巷道与煤层位置关系如图1所示。

位置揭煤41巷道掘进方向45上肇场图1巷道与煤层位置关系探测显示，揭煤区域内煤炭地质储量8 820 t，测定原始瓦斯含量为6.69~10.64 m3/t,平均8.5m3/t，经预算，揭煤区域内煤层瓦斯储量为7.5万m3。

按 照瓦斯抽采达标规定，至少需抽放瓦斯2.2万m3。

瓦斯抽采水力压裂增透技术六枝工矿（集团）化处煤炭分公司2015年4月一、矿井煤层瓦斯赋存情况化处煤炭分公司为六枝工矿（集团）有限责任公司下属公司（以下简称化处煤矿），位于大煤山背斜西翼，矿区总面积11.1698km2，主采7号煤层。

设计生产能力30万t/a，核定生产能力36万t/a。

7号煤层厚度为0.33～9.80m，一般3～4m，平均倾角22°，瓦斯放散初速度为16、煤层透气性系数为0.3262～0.7601m2/（MPa2.d）、钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0562～0.8167d-1、坚固性系数为0.11。

煤层瓦斯压力超过1.3MPa，瓦斯含量超过15m3/t。

7号煤层煤尘有爆炸危险，自燃倾向等级为二类自燃，最短发火期为1个月。

二、瓦斯抽采水力压裂增透技术应用1、水力压裂增透技术实施背景化处煤矿单一开采7号煤层，不具备保护层开采条件，煤层透气性差，常规瓦斯抽采技术预抽困难，煤层松软，钻孔塌孔、卡钻、喷孔现象严重，钻孔流量不稳定、衰减速度快，难以保证抽采效果，瓦斯治理投入大等。

为解决上述问题，于2010年底分别在2372机巷、机巷迎头和1470底板抽放巷实施了本煤层和底板穿层水力压裂增透技术。

2、压裂钻孔的布置及参数⑴2372机巷施工本煤层上行钻孔1#、2#、3#，压裂孔间距依次为25m 和30.6m，3个压裂孔控制压裂区域110米左右如图2-1，钻孔参数如表2-1。

2#、3#压裂孔间施工9个抽采孔，1#、2#压裂孔间施工8个，1#、3#压裂孔外各施工5个，抽采孔间距由2米提高到3米。

⑵2372机巷迎头施工4#、5#压裂孔如图2-2，钻孔参数如表2-2。

⑶在1470中巷19#、20#、21#钻场施工1个压裂孔、1个卸压孔，并在钻场间巷道中部施工高角度孔各1个，共计5个压裂孔如图2-3，钻孔参数如表2-3。

图2-2 2372机巷迎头水力压裂钻孔布置图表2-2 2372机巷迎头水力压裂钻孔参数图2-3 1470中巷水力压裂钻孔布置图19#钻场图2-4 19#钻场钻孔布置剖面示意图表2-4 1470中巷水力压裂钻孔参数3、压裂范围的确定⑴每组压裂孔设计3个，每组压裂钻孔间距为30m，1号孔为压裂孔，设计在1470机巷掘进条巷道中间，2号为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷道上帮轮廓线往上20m位置，3号孔为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷道下帮轮廓线往下20m位置，压裂孔压裂半径为：纵向40m，横向30m。

《豫西软煤围岩水力破裂卸压增透技术研究与应用》篇一一、引言随着煤炭资源的不断开采，豫西地区软煤围岩的开采难度逐渐增大，煤层透气性差、瓦斯抽采困难等问题日益突出。

为了解决这一问题，水力破裂卸压增透技术被引入到豫西软煤围岩的开采中。

本文将就豫西软煤围岩的水力破裂卸压增透技术进行深入研究，分析其原理、应用及其带来的经济效益，为相关领域的进一步发展提供理论支持。

二、水力破裂卸压增透技术原理水力破裂卸压增透技术是一种利用高压水力能量对煤层进行破裂，提高煤层透气性的技术。

该技术通过向煤层注水，利用水的压力和能量，使煤层产生破裂，从而增加煤层的透气性，提高瓦斯抽采效率。

同时，水力破裂还能有效降低围岩应力，达到卸压的目的。

三、技术应用分析1. 现场试验：在豫西地区选取典型的软煤围岩矿井进行现场试验，对水力破裂卸压增透技术进行实际验证。

通过对比试验前后的瓦斯抽采量、煤层透气性等指标，评估该技术的效果。

2. 参数优化：根据现场试验结果，对水力破裂的参数进行优化，包括注水压力、注水量、注水频率等，以提高技术效果。

3. 联合开采：将水力破裂卸压增透技术与其它开采技术相结合，如爆破、机械化开采等，形成联合开采方案，提高煤炭开采效率。

四、技术应用的优势与挑战1. 优势：水力破裂卸压增透技术能有效提高煤层透气性，增加瓦斯抽采量，降低瓦斯事故风险；同时，该技术还能降低围岩应力，达到卸压的目的，有利于矿井安全。

此外，该技术操作简便，成本较低，具有较好的经济效益。

2. 挑战：在应用过程中，需注意控制注水压力和注水量，避免对周围岩层造成破坏；同时，需根据不同矿区的地质条件进行参数优化，以提高技术效果。

此外，该技术还需与其它开采技术相结合，形成联合开采方案，以充分发挥其优势。

五、技术应用的经济效益与社会效益1. 经济效益：通过水力破裂卸压增透技术的应用，提高了瓦斯抽采效率，降低了煤炭开采成本，提高了矿井的经济效益。

2. 社会效益：该技术的应用有助于提高矿井安全水平，降低瓦斯事故风险，保障了矿工的生命安全；同时，该技术还有利于煤炭资源的可持续开采，促进了煤炭行业的健康发展。