低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

常 东

（潞安集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 晋城 048000）

1 工作面地质情况

夏店煤矿3116 工作面因为陷落柱X2的缘故被分成三个回采面，其工作面情况见表1，巷道布置图如图1所示。3116 工作面所采3#煤层地质情况为： 1～3m厚的泥岩直接顶， 5～15m厚的细砂老顶，0.3～0.5m厚的伪顶，0.8～1.4m厚的直接底，6.8～9.01m厚的细砂岩老底。工作面煤层原始瓦斯含量为 2.4～8m³/t，瓦斯压力 0.18～0.39MPa，煤体坚固性系数 0.5，透气性系数 0.053m2/（MPa2·d）。3#煤层没有临近煤层实施保护层开采，且煤层渗透率为 0.0038～2.2430×10-3μm3，为典型的单一低渗透煤层。在回采期间，瓦斯抽放率和绝对涌出量预测值分别为30%和14.6m3/min，属于瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性。在夏店矿+770m水平31采区3116工作面进行高压注水驱替促抽治理瓦斯试验，且将3116工作面（外 2）回巷区域的81～90#抽采钻孔联孔区域、 48～54#抽采钻孔联孔区域和105～112#抽采钻孔联孔区域等三个区域设为注水试验点进行现场高压注水。

表1 3116工作面情况表

2 瓦斯治理技术分析

3116工作面原始瓦斯含量为2.4～8m³/t，相对较高。钻孔预抽的范围是在工作面外450m的区域，该工作面里段瓦斯含量比外段低。三个回采面的回采阶段都要开展上隅角埋管、裂隙带钻孔抽采，只有外2回采面在回采前需要开展本煤层预抽。工作面抽采钻孔布置示意图如图2所示。

（1）回采前进行本煤层预抽。在此工作面外450m的区域内，在回巷钻135个孔，在运巷钻210个孔，两个巷道设计钻孔的深度一样，均为110m，孔与孔之间都需要间隔2.5m，与巷道之间成90°夹角，两个巷道钻孔的总长为39500m。

（2）回采阶段的裂隙带抽采。回采阶段工作面需要采取裂隙带抽采，从距切眼65m的区域进行施工，到3116 回巷回风绕道外50m处结束，期间需要施工450个岩孔，总长为49500m。

图1 3116工作面巷道布置示意图

图2 工作面抽采钻孔布置示意图

3 高压注水驱替促抽瓦斯工业试验

3.1 技术原理

由于夏店矿 3116 工作面的渗透率较低，导致3#煤层瓦斯抽采效果不理想、瓦斯衰减快和预抽范围小等问题。采用高压注水驱替促抽瓦斯技术，在抽采钻孔之间布置注水钻孔，注入高压水，在煤层中的高压水会对瓦斯产生驱替和置换解析作用，在高压水的驱替和置换解析作用下，可以使相邻抽放钻孔的瓦斯浓度增加，从而提高抽采瓦斯流量。同时，高压水还可以使煤层得到润湿，煤体增加水分，减少粉尘的产生。技术原理图见图3。

图3 技术原理示意图

3.2 试验方法

（1）采用顺层抽采方式，在煤层1中钻孔2、3、4，且交替布置，然后用长度16m、外径75mm的抽采管5、6、7和封孔材料进行封孔，形成8、9、10封孔段，且长度不小于8m，最后连接抽采管路，完成抽采。

（2）抽采工作开展一段时间以后，抽采钻孔处的抽采浓度和瓦斯流量明显减小，只采用延长抽采时间的方式很难达到预期的抽采效果。依据孔内封孔的理念，把抽采孔3当成注水孔，并在抽采管6中插入膨胀封孔器11，封孔器的外部直径为55mm，其长度为1～1.5m，极限工作压力可达10MPa。

（3）采用高压胶管12把膨胀封孔器11首先和高压阀门13连接，然后再和注水流量计14和高压注水泵15进行连接。井下供水管16再与高压注水泵进行连接。除此之外的两个抽采孔（2和4）连接方式不变，继续抽采工作。

（4）将高压注水泵产生的6～8MPa的高压水通过钻孔3向煤层注水，安装的注水流量计14可以显示注水流量和压力。注水时，钻孔2、4的负压参数及抽采浓度和流量可以通过抽采管观测孔和孔板流量计17、18观测到。

（5）间隔注水和连续注水是常用的两种注水方式。确定注水时间的长短应考虑注水压力、钻孔间距及煤层实际条件等因素，注水48～96h以后，抽采钻孔2、4内不能进水。关闭阀门13，停止注水泵，封孔器继续封孔，孔内的高压水则向煤层慢慢渗透。钻孔布置图见图4，夏店矿3116 工作面钻孔施工参数如表2所示。

图4 钻孔布置示意图

表2 钻孔参数表

3.3 试验过程

（1）封孔方法

注水专用封孔器由钢丝膨胀胶管、泄压阀、快速接头组成，安装方便，只需要与作业现场水路连接，完全插入钻孔内，在一定压力下，封孔器胶管膨胀实现封孔、注水破煤。使用钢丝胶管封孔器对抽采管进行封孔，不仅封孔效果较好，也避免了封孔不严的情况出现。这种封孔器是可以重复利用的，它在注水结束卸完压力后即可恢复原样。表3为封孔器的主要设计参数。

表3 封孔器技术参数表

（2）注水泵的选择

根据现场观察，发现动压注水形式更适合3116回风巷的煤层抽采瓦斯试验。该试验选取高压注水泵，为防止注水泵动力端磨损严重，润滑时使用强制与飞溅两种方式同时使用，柱塞需要配备调压阀与溢流阀，采用强制冷却进行制冷。泵组由溢流阀、泵、联轴器、压力调节阀、联轴器护罩、底座和矿用防爆电动机等组合而成。泵轴的驱动采用电动，卧式安装，需三个柱塞，直径是Φ23mm，i=3.75，410r/min的额定转速，25MPa的工作压力。

（3）试验过程

2018年9月～10月两个月主要在试验区域测定瓦斯抽采参数，通过对这些参数的研究计算确定最佳注水时机。前期工作做完后，在2018年10月22日之后，主要工作改为安装流量计，将四寸孔板流量计装在 47～55#、80～89#抽采孔联孔区域，106～113#区域装汇流管电子流量计，注水试验到2018年12月中旬完成。

4 注水抽采瓦斯试验结果

在48～54#抽采孔联孔区域共完成了3组注水试验，注水孔分别为49#、51#和53#孔。48孔单孔浓度是11%，注水时浓度为26%，提高了1.6倍；49孔的注水压力9MPa，注水时间为39min，注水量为1.6m3；50孔单孔浓度12%，注水时浓度达到24%，提高了1倍。从三个孔的注水结果来看，注水时瓦斯混合流量至0.86m3/min，提高3倍。单钻孔平均混合量由原先的0.07m3/min提升到0.17m3/min。从中可以看出采用高压注水的方式，抽采瓦斯效果较好。 51孔和52孔相邻，注水压力是9MPa，注水7min后与52孔打穿，从52孔流出水。50、52孔注水后浓度是19%、26%，相比较注水前浓度的10%与11%，提高了1倍。53孔采取静压与动压注水两种方式，静压注水为90min，动压注水为45min，注水压力分别是4.5MPa与7MPa。53孔注水前瓦斯浓度为3%，注水后瓦斯浓度为21%，提高6倍左右。54孔注水前瓦斯浓度为12% ，注水后瓦斯浓度提高到26%，提高了1.2倍。该区域实施高压注水抽采瓦斯效果较好，尤其是49抽采孔对相邻抽采孔（48、50抽采孔）效果最为显著（见表4）。实施注—抽钻孔间隔布置高压注水大大增加了相邻48、50抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量，联孔区域瓦斯纯流量在原来的基础上增加了5倍，注水驱替促抽瓦斯持续周期能够维持在10d左右。

表4 钻孔抽采参数的监测数据

5 结论

（1）使用钢丝胶管封孔器对抽采管进行封孔，不仅使封孔效果较好，避免封孔不严的情况出现，封孔器可以重复利用，在注水结束卸掉压力后即可恢复原样。

（2）现场注水试验显示：注水时随着注水压力的增高，水对瓦斯的驱替作用较强，邻近的抽采钻孔的瓦斯浓度与瓦斯流量都增加的非常快；长时间注水后注水压力会变小，水对瓦斯解吸作用较强，此时相邻近的抽采钻孔的瓦斯浓度与瓦斯流量增加的不明显，是个相对稳定的过程。注水抽采瓦斯持续时间大概在10d。

（3）实践证明，夏店煤矿3116工作面3#煤层采用高压注水驱替促抽治理瓦斯技术，大大提高单一低渗透煤层瓦斯抽采效果，也为类似条件煤层的瓦斯治理提供了借鉴。