1、淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一煤礦2631（1）高抽巷穿層鉆孔區(qū)域消突綜合技術(shù)方案（討論稿）河南理工大學(xué)二00九年十月目 錄1 潘一礦試驗(yàn)點(diǎn)概況與技術(shù)背景12 綜合水力化工藝和技術(shù)參數(shù)考察33 鉆孔設(shè)計(jì)及施工33.1鉆孔控制范圍33.2 鉆孔間距43.3 鉆孔直徑43.4 鉆孔施工54 水力沖孔技術(shù)55 水力壓裂技術(shù)55.1 水力壓裂技術(shù)參數(shù)55.2 水力壓裂工藝工程85.2.1 注水前85.2.2 注水過程中85.2.3 注水后95.3 裝備及儀器儀表106 封孔抽放117 區(qū)域消突效果的考察117.1 區(qū)域消突指標(biāo)117.2 消突鉆孔布置方式合理性考察127.3 區(qū)域消突效果考察孔的布置方式127.4

2、回采工作面區(qū)域消突效果評價(jià)方法131 潘一礦試驗(yàn)點(diǎn)概況與技術(shù)背景潘一礦11-2煤層是突出煤層，于2000年12月02日，在東二2351（1）上風(fēng)巷在放炮掘進(jìn)時(shí)發(fā)生了1次壓出，壓出標(biāo)高-620m，壓出煤量10t，瓦斯量279m3。2631（1）高抽巷位于西三采區(qū)（F4斷層下盤），被掩護(hù)的2621（1）下順槽標(biāo)高在-590m左右，2個(gè)實(shí)測瓦斯壓力分別為3.1MPa（-700m）和1.42MPa（-580），因此，工作面瓦斯壓力在1.5MPa左右，f值分別為0.691.25，瓦斯放散初速度為79，根據(jù)根據(jù)“集技2008310號文”規(guī)定，該區(qū)域11-2煤層屬于突出危險(xiǎn)區(qū)。2621（1）下順槽以塊狀為主

3、，少量粉沫狀、片狀，屬半亮型，厚1.11.8m，平均煤厚1.4m。工作面中東部11-2煤層發(fā)育一層偽頂，由泥巖及煤線組成，易冒落，厚01.28m,平均厚度0.5m。工作面東部受F4斷層組牽引影響，煤層產(chǎn)狀變化較大，預(yù)計(jì)11-2煤層產(chǎn)狀為：18026648。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第19號令防治煤與瓦斯突出規(guī)定第十五條，“。確保在突出煤層采掘前實(shí)施區(qū)域防突措施”，因此，在采掘前必需采用區(qū)域防突措施，即開采保護(hù)層和穿層孔預(yù)抽。突出煤層往往地應(yīng)力和瓦斯壓力大、瓦斯含量高，透氣性低，導(dǎo)致煤與瓦斯突出問題日益嚴(yán)重和復(fù)雜，防突措施必需具備以下三個(gè)特點(diǎn)：潘一11-2煤層以壓出為主，即地應(yīng)力是控制突出的主

4、要因素，要求防突措施具有卸壓的效果；透氣性低，煤層透氣性系數(shù)為0.0010.01m2/ MPa2.d，屬于難以抽采的煤層，要求消突措施必須具有增透效果；多數(shù)煤層都具有突出危險(xiǎn)性，無突出危險(xiǎn)性的解放層越來越少，即保護(hù)層也需要消突；同一煤層具有突出危險(xiǎn)性的面積越來越大，而且高地應(yīng)力的參與使煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測越來越復(fù)雜，劃出無突出危險(xiǎn)區(qū)的可能性越來越小，因此，保護(hù)層的區(qū)域消突措施受條件限制，具有一定的局限性。針對以上突出特點(diǎn)，必需采用結(jié)合卸壓增透措施的穿層鉆孔區(qū)域消突。目前被各礦區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的卸壓增透消突措施就是水力沖孔技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，這兩項(xiàng)措施在不同煤層均取得較好的應(yīng)用效果，不但能保證有較

5、好的卸壓增透效果，而且在低透氣煤層的有效抽放影響半徑均達(dá)到5m以上，大大節(jié)省了工程量和抽放時(shí)間。但兩個(gè)技術(shù)措施都有一定得局限性，水力沖孔技術(shù)措施針對較硬煤體和下向孔，消突效果較差；水力壓裂僅靠高壓水壓裂煤體增加裂隙來提高煤層透氣性，由于沒有卸壓空間，被壓開的煤體在注水壓力撤除之后，重新閉合，只在較短時(shí)間內(nèi)起到卸壓增透效果，特別是對軟煤來說。因此，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，使兩個(gè)措施形成互補(bǔ)，我們提出采用水力沖孔+水力壓裂的穿層鉆孔區(qū)域消突措施，分為3種工藝方案：（1）考慮2631（1）高抽巷掩護(hù)2621（1）下順槽鉆孔為下向孔，且煤體相對較硬，不利于沖孔，僅采用水力壓裂；（2）先采取水壓裂將煤體壓開，然后

6、采用水力沖孔，以沖出更多煤體，防止水力壓裂產(chǎn)生的裂隙閉合；（3）先采用水力沖孔，形成一定得卸壓空間，然后在采用水力壓裂，保證較大范圍內(nèi)形成貫通裂隙，水力沖孔鉆孔相當(dāng)于松動爆破控制孔的作用。井下水力壓裂的基本原理即將壓裂液高壓注入煤（或巖）體中原有的和壓裂后出現(xiàn)的裂縫內(nèi)，克服最小主應(yīng)力和煤巖體的破裂壓力，擴(kuò)寬并伸展和溝通這些裂縫，進(jìn)而在煤中產(chǎn)生更多的人造裂縫與裂隙，從而增加煤層的透氣性。2 水力壓裂裝備系統(tǒng)壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、水箱、壓力表、專用封孔器等組成如圖1所示。圖1 壓裂系統(tǒng)布置示意圖（1）壓裂泵與水表：壓裂注水泵采用額定壓力為31.5MPa、額定流量為80L的BRW80/31.5型煤礦用乳

7、化液泵（南京六和煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)）；注水泵安裝壓力表、水表及卸壓閥門等附件，試驗(yàn)選用SGS型雙功能高壓水表，該表集注水水量和壓力計(jì)量功能于一體，能夠同時(shí)測量注水的壓力、流量和水量。額定壓力31.5MPa，最小流量0.1m3/h，最大流量5m3/h，最小讀數(shù)0.0001m3，測量允許最大誤差為5%。（2）壓裂管路：采用R13-51-35MPa型鋼絲纏繞液壓軟管（平頂山市礦益膠管制品有限公司制造），用快速接頭與注水泵相連接。鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)耐高壓無縫鋼管，采用快速接頭與封孔器和鉆孔外高壓注水管路相連接。（3）封孔材料：采用SFKA70/45-1500型（河南理工大學(xué)制造）水力壓裂專用封孔器進(jìn)

8、行封孔，封孔器由封孔膠囊、連接桿、出水嘴和注水頭四部分組成，封孔器抗壓強(qiáng)度為40MPa，外徑65mm，內(nèi)徑45mm，加壓擴(kuò)張系數(shù)為1.41.8。3 綜合水力化工藝和技術(shù)參數(shù)考察對比試驗(yàn)3種試驗(yàn)工藝方案的卸壓增透效果，主要從透氣性系數(shù)的增加情況、衰減系數(shù)的減小情況、抽放有效影響半徑的擴(kuò)大情況和施工工程量對減小情況3個(gè)方面考察，并研究的水力壓裂技術(shù)措施實(shí)施的合理時(shí)間和工序。另外，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，進(jìn)一步優(yōu)化水力沖孔工藝，改善前期研究中存在的排不出渣、憋孔和埋鉆現(xiàn)象；研究水力壓裂注水前、注水中和注水后整個(gè)技術(shù)工藝過程。3.1 水力壓裂技術(shù)參數(shù)考察考察水力化措施實(shí)施前后的抽放有效影響半徑、

9、鉆孔瓦斯抽放量、煤體瓦斯壓力與含量、煤體水分。（1）水力壓裂有效影響半徑與間距考察有效影響半徑考察采用瓦斯流量法，預(yù)計(jì)水力壓裂有效影響半徑為615m之間，因此，布置考察孔距離水力壓裂孔分別為6m、10m、13m和15m，布置如圖2所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。a 水力壓裂平面圖b 水力壓裂剖面圖c 1號鉆場剖面圖（1-1剖面圖）圖2 水力壓裂有效影響半徑考察方案圖表1 1#鉆場水力壓裂半徑考察鉆孔參數(shù)表孔號孔徑（mm）頂板投影與終孔沿傾向距(m)頂板投影與終孔沿走向距(m)孔長（m）俯角（）偏角（）B17315019.840.90.0K111315620.738.821.8K2113151022.

10、235.833.7K3113151323.733.240.9K4113151524.931.545.0水力壓裂有效影響半徑考察實(shí)施步驟為：打抽放鉆孔取樣作水分和含量考察抽放量至穩(wěn)定打水力壓裂鉆孔考察瓦斯抽放量的變化在各考察孔附近打鉆取樣測定水分的變化?？疾焱晁毫延行в绊懓霃胶?，間距按R布置，確定間距后設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔。（2）鉆孔控制范圍根據(jù)防治煤與瓦斯突出規(guī)定，穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施的鉆孔應(yīng)當(dāng)控制整條煤層巷道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的煤層。要求鉆孔控制回采巷道外側(cè)的范圍是：傾斜、急傾斜煤層巷道上幫輪廓線外至少20m，下幫至少10m；其他為巷道兩側(cè)輪廓線外至少各15m。以上所述的

11、鉆孔控制范圍均為沿層面的距離。2621（1）工作面的傾角在56，為緩傾斜，需控制巷道兩側(cè)輪廓線15m。（3）鉆孔直徑采用水力壓裂技術(shù)措施的鉆孔直徑不應(yīng)太大，在42mm94mm之間，孔徑不宜太大，不然，封孔后承受不了高壓?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)不同孔徑水力壓裂效果考察和封孔質(zhì)量考察，確定最佳水力壓裂孔徑。目前，根據(jù)河南礦區(qū)水力壓裂經(jīng)驗(yàn)和貴礦鉆機(jī)裝備條件，選用73mm鉆頭。（4）封孔深度和長度采用專用封孔器封孔（河南理工大學(xué)研制的SFKA70/45-1500型），封孔器長度10m，封孔器以外用無縫鋼管連接。封孔位置必須在煤巖交接面里0.51m。（5）注水壓力注水壓力是所有水力化措施中的重要參數(shù)。若注水壓力過低

12、，不能壓裂煤體，煤層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯的變化，相當(dāng)于低壓注水濕潤措施，短時(shí)間內(nèi)注水起不到卸壓消突的作用；若注水壓力過高，導(dǎo)致煤體在地應(yīng)力和水壓綜合作用下迅速變形，形成突出。因此，合理的注水壓力應(yīng)該能夠快速、有效破裂松動煤體，進(jìn)而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結(jié)構(gòu)，排放煤體瓦斯，達(dá)到消突的目的。一般認(rèn)為煤層發(fā)生壓裂的壓力大小主要取決于地層的煤層賦存深度以及煤層的f值。根據(jù)河南平頂山礦區(qū)試驗(yàn)，得出如圖3所示的煤層壓裂壓力與煤層賦存深度之間的關(guān)系曲線，二者之間大致呈直線關(guān)系，可用下式表示： (1)式中 煤層壓裂壓力，MPa； H煤層賦存深度，m。在淮南礦區(qū)，目前還沒有壓裂壓力與煤體結(jié)構(gòu)、埋深、裂隙發(fā)育

13、情況及f值關(guān)系的成熟公式，在下一步工作中，通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步查明壓裂壓力與上述因素的關(guān)系，得出壓裂壓力與上述因素的合理關(guān)系式以確定合理的壓裂壓力。根據(jù)河南平頂山礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式，初步確定壓裂壓力為20MPa。圖3 壓裂壓力與煤層賦存深度的關(guān)系（6）壓裂時(shí)間壓裂時(shí)間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)，注水壓力、流速不同，相同條件下達(dá)到同樣效果的注水時(shí)間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及注水流量等參數(shù)不斷發(fā)生著變化，注水時(shí)間可根據(jù)注水過程中壓力及流量的變化來確定，當(dāng)注水泵壓降為峰值壓力的30%左右，可以作為注水結(jié)束時(shí)間。采用動壓注水，從開始

14、注水到水力壓裂措施結(jié)束大約需要60min時(shí)間。每5min升壓2MPa，泵壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定一段時(shí)間后，壓力迅速下降，并持續(xù)加壓時(shí)壓力無明顯上升，或者巷道瓦斯?jié)舛让黠@升高時(shí)，說明順槽迎頭產(chǎn)生裂縫，此時(shí)停泵，關(guān)閉卸壓閥，壓裂程序結(jié)束。（7）注水流量與注水壓力的關(guān)系中、高壓注水作用于煤體是一個(gè)逐漸濕潤煤體、壓裂破碎煤體的過程。在注水的前期，注水壓力和注水流量呈線性升高；隨后，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過鉆孔進(jìn)入煤體裂隙，克服裂隙阻力運(yùn)動；隨后，當(dāng)壓裂液充滿現(xiàn)有裂隙后，水流動受到阻礙，由于煤體滲透性較低，水流量降低，壓力增高而積蓄勢能；

15、當(dāng)積蓄的勢能足以破裂煤體形成新的裂隙時(shí)，勢能轉(zhuǎn)化為動能，壓力降低，水流速增加；當(dāng)壓力液攜帶煤泥堵塞裂隙時(shí)，煤體滲透性降低，水難以流動使流量下降，壓力上升。5.2 水力壓裂工藝工程5.2.1 注水前（1）注水孔打夠深度后，必須將煤粉排出。注水器深入鉆孔深度不得小于20米。（2）注水前必須按圖示位置設(shè)置警戒，嚴(yán)禁人員進(jìn)入順槽及其回風(fēng)巷內(nèi)。掘進(jìn)頭及其回風(fēng)巷內(nèi)，所有電器設(shè)備必須切斷電源，由機(jī)電技術(shù)部負(fù)責(zé)。（3）注水前，必須先檢查注水系統(tǒng)和注水管路的密封性，在高壓管路密封性不好或破損時(shí)，禁止注水。當(dāng)高壓管路處于承壓狀態(tài)時(shí)，禁止連接、拆卸和修理高壓管件。（4）開泵注水前，瓦斯檢查員必須檢查掘進(jìn)頭和回風(fēng)流中

16、的瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛炔怀迺r(shí)，方可開泵注水。5.2.2 注水過程中（1）注水試驗(yàn)地點(diǎn)其附近50m范圍巷道底板與煤層垂距不得小于5m。（2）注水前，跟班隊(duì)長必須向生產(chǎn)調(diào)度中心匯報(bào)，生產(chǎn)調(diào)度中心通知監(jiān)測機(jī)房對迎頭及回風(fēng)流中的瓦斯情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)工作面或回風(fēng)巷任一探頭瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8時(shí)，監(jiān)測機(jī)房立即匯報(bào)生產(chǎn)調(diào)度中心，生產(chǎn)調(diào)度中心應(yīng)及時(shí)將瓦斯變化情況電話通知作業(yè)人員，以便現(xiàn)場作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整注水壓力。（3）注水泵必須由專人負(fù)責(zé)操作，開始注水時(shí)，在前35分鐘內(nèi)必須緩慢增加水壓至設(shè)計(jì)注水壓力；注水泵應(yīng)當(dāng)設(shè)置卸壓閥，調(diào)整該閥可保證壓力平緩上升或減壓。（4）注水期間，嚴(yán)禁人員進(jìn)入工作面及其回風(fēng)巷內(nèi)。（5）

17、注水時(shí)，當(dāng)水壓下降至實(shí)際最大注水壓力的30以上時(shí)，可結(jié)束注水。停泵時(shí)，注水泵發(fā)動機(jī)應(yīng)緩慢卸壓，以防突然卸壓造成封孔器往外推出。（6）注水時(shí)間在12小時(shí)內(nèi)完成。注水壓力控制在830Mpa。（7）水力壓裂強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，注水泵的操作地點(diǎn)設(shè)在東翼軌道運(yùn)輸大巷兩道防突風(fēng)門之間，注水泵的供電必須執(zhí)行瓦斯電閉鎖和風(fēng)電閉鎖，作業(yè)地點(diǎn)必須設(shè)置直通生產(chǎn)調(diào)度中心的電話。5.2.3 注水后（1）注水結(jié)束30分鐘后，由瓦檢員、安檢員和當(dāng)班跟班班長共同進(jìn)入工作面檢查巷道瓦斯、確認(rèn)瓦斯不超限、注水現(xiàn)場無異常時(shí)，安檢員匯報(bào)生產(chǎn)調(diào)度中心，生產(chǎn)調(diào)度中心通知東區(qū)各單位電工恢復(fù)供電，恢復(fù)生產(chǎn)。（2）注水結(jié)束后，注水人員必須按規(guī)定內(nèi)容認(rèn)

18、真填寫注水記錄。根據(jù)注水記錄，礦總工程師組織對注水效果進(jìn)行分析研究。（3）每次注水結(jié)束后，檢測隊(duì)要及時(shí)提供井下瓦斯變化資料。5.3 裝備及儀器儀表壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、水箱、壓力表、專用封孔器等組成如圖1所示。壓裂泵選用額定壓力為40MPa、最大排量為1.2m3/min的YL400/315型柱塞壓裂泵。為便于操作和控制，壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，壓力表采用直感耐震壓力表、專用本安型電流式壓力傳感器和專用本安型電壓式渦輪流量傳感器。水箱采用特制井下壓裂備用水箱，總?cè)莘e15m3，多只水箱并聯(lián)，通過4寸軟管與壓裂泵吸入總管連接。高壓管路選用2寸高壓膠管。鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，采用快速接

19、頭與封孔器和高壓膠管相連接。無縫鋼管外徑57mm，內(nèi)徑45mm，壁厚6mm，每節(jié)長2.5-3m。壓裂工具限流尾管開孔，孔密10孔/m，鋼管底部絲堵封口并開孔。鉆孔封孔器選用專用封孔器，封孔器抗壓強(qiáng)度不低于40MPa，外徑65mm，內(nèi)徑45mm，加壓擴(kuò)張系數(shù)23。6 封孔抽放對水力沖孔鉆孔和水力壓裂鉆孔進(jìn)行封孔抽放，根據(jù)防治煤與瓦斯突出規(guī)定預(yù)抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴(yán)密。穿層鉆孔的封孔段長度不得小于5m。應(yīng)當(dāng)做好每個(gè)鉆孔施工參數(shù)的記錄及抽采參數(shù)的測定。鉆孔孔口抽采負(fù)壓不得小于13kPa。預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取改進(jìn)封孔的措施，以提高封孔質(zhì)量。7 區(qū)域消突效果的考察區(qū)域消突效果考察需依據(jù)防治煤

20、與瓦斯突出規(guī)定進(jìn)行，關(guān)于區(qū)域效果考察的規(guī)定如下。7.1 區(qū)域消突指標(biāo)五十三條規(guī)定：采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)以預(yù)抽區(qū)域的煤層殘余瓦斯壓力或者殘余瓦斯含量為主要指標(biāo)或其他經(jīng)試驗(yàn)（應(yīng)符合本規(guī)定第四十二條要求的程序）證實(shí)有效的指標(biāo)和方法進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)。其中，在采用殘余瓦斯壓力或者殘余瓦斯含量指標(biāo)對穿層鉆孔、順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施和穿層鉆孔預(yù)抽石門（含立、斜井等）揭煤區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，必須依據(jù)實(shí)際的直接測定值，其他方式的預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施可采用直接測定值或根據(jù)預(yù)抽前的瓦斯含量及抽、排瓦斯量等參數(shù)間接計(jì)算的殘余瓦斯含量值。依據(jù)以上規(guī)定，考慮淮南礦區(qū)是

21、低變質(zhì)程度煤體，主要以氣煤為主，表現(xiàn)出低瓦斯含量、高瓦斯壓力的特點(diǎn)，建議選用瓦斯壓力作為作為區(qū)域消突評價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)臨界值可通過實(shí)際考察或選用0.74MPa，以確保安全?？紤]水力沖孔+水力壓裂綜合技術(shù)消突效果的特殊性，主要是為了考察消突效果中卸壓方面的效果和均勻性，應(yīng)將單孔沖出煤量作為考察效果的指標(biāo)之一。7.2 消突鉆孔布置方式合理性考察第五十四條規(guī)定：對預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，均應(yīng)當(dāng)首先分析、檢查預(yù)抽區(qū)域內(nèi)鉆孔的分布等是否符合設(shè)計(jì)要求，不符合設(shè)計(jì)要求的，不予檢驗(yàn)。根據(jù)以上規(guī)定，需先考察先沖孔后壓裂技術(shù)的有效影響半徑，然后考察鉆孔布置方式是否滿足消突要求，即是否存在消突空白帶，消突是否均勻等情況。7.3 區(qū)域消突效果考察孔的布置方式防治煤與瓦斯突出規(guī)定第五十五條規(guī)定，采用直接測定煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量等參數(shù)進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域措施效果檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合下列要求：（一）對穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)若區(qū)段寬度（兩側(cè)回采巷道間距加回采巷道外側(cè)控制范圍）未超過120m，以及對預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)若回采工作面長度未超過120m，則沿回采工作面推進(jìn)方向每間隔3050m至少布置1個(gè)檢驗(yàn)測試點(diǎn)；若預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域防突措施的區(qū)