井巷揭煤地面预抽辅助消突技术_张东亮.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY outburst prevention; coalbed exposure in tunnel and mine shaft 煤与瓦斯突出是煤矿生产和掘进过程中引发的 一种工程地质灾害，严重威胁矿井安全生产和井下 人员的生命安全[1]，防治煤与瓦斯突出是突出矿井 生产建设的首要任务之一。由于岩石井巷揭煤的特 殊性，发生煤与瓦斯突出的概率最大[2-3]，其突出的 强度和造成的危害也较井下其他条件下的大[4]。井 巷揭煤包括石门、竖井和斜井的揭煤。以往井巷揭 穿突出煤层，主要采用“四位一体”的综合防突措 施[5-7]，采用的技术工艺有钻孔抽排、预裂爆破、水 力冲孔等[8-10]，这些方法和措施主要集中在井下， 由于工作空间受限，防突工作存在工期长、工序复 杂、 安全系数低等问题。 随着矿井开采深度的不断增 加，地应力、瓦斯含量和瓦斯压力也随之增大，井下 防突工作的难度也不断加大， 井巷如何安全、 高效揭 穿突出煤层仍是煤矿安全领域不断探索的课题。 实践证明，地面预抽煤层瓦斯是矿井瓦斯治理 的有效方式[11]。地面预抽辅助消突，其思路是在井 巷揭煤前，通过地面钻井和储层强化预抽揭煤区域 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 47 卷 瓦斯，降低甚至消除突出威胁，为井巷快速揭煤创 造条件。与井下防突措施相比，地面预抽工程在地 面完成，安全性高，几乎不受时间和空间限制，在 揭煤区域确定的情况下可提前数年开展抽采和消突 工作，技术优势明显。笔者将地面预抽技术与井巷 揭煤消突工作相结合，通过钻完井、储层强化技术 设计，开展石门、井筒揭煤辅助消突技术方法研究， 以期为井巷揭煤防突工作提供借鉴。 1 井巷揭煤防突的核心任务 1.1 井巷揭煤突出机理 煤与瓦斯突出是煤层中储存的瓦斯能和应力能 的失稳释放[3]，是一种复杂的地质动力现象。一般 认为，煤与瓦斯突出受煤体性质、瓦斯和地应力 3 方面因素的控制[12-13]，含高压瓦斯且受到严重破坏 的构造煤主要是碎粒煤和糜棱煤是突出发生的物 质基础，构造作用，特别是地应力是突出发生的动 力基础，构造破坏带和构造应力集中地带是发生煤 与瓦斯突出的主要位置和敏感区[13]，一切由震动产 生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激 发条件[14]。 井巷揭煤突出是含高压瓦斯的构造煤在特定构 造和应力场环境下发生的动力灾害。在石门或井筒 揭露突出煤层时，在有利的约束条件工作面前方岩 柱下，瓦斯突出煤体内地应力和瓦斯压力梯度增 大，形成应力集中并集聚很大的变形能，在爆破或 掘进等作业因素诱导下，地应力状态的突然改变导 致极限应力状态的煤体突然破坏并发生突出，煤体 破碎剥离瞬间解吸的大量吸附瓦斯形成“瓦斯风暴” 流参与突出，从而在极短时间内将大量煤岩和瓦斯 抛向工作空间[3]。其中，地应力和瓦斯压力分别为 突出的发生和发展提供了动力，煤的破碎程度、瓦 斯含量和解吸量、瓦斯放散初速度等对“瓦斯风暴” 的形成起决定作用。 1.2 防突的核心任务 在井巷揭煤过程中，严重破坏的构造煤体、应 力场环境、瓦斯赋存状态瓦斯含量和瓦斯压力是 控制突出发生的核心要素。在这些控制要素中，可 以通过人为方式改变构造煤体所处的突出应力场环 境和瓦斯赋存状态，变突出区域煤层为非突出区 域煤层，从而达到消突的目的。 a. 改变突出的应力场环境 利用煤岩体较为 软弱的特性高泊松比和低弹性模量，通过一定的 完井措施，使煤岩体在地应力作用下发生形变和破 坏，应力释放，减小揭煤区域因应力集中而聚集的 变形能，消除突出的动力基础。 b. 改变突出瓦斯的赋存状态 通过储层强化 和抽采泄压等措施，降低瓦斯压力和瓦斯含量，使 之满足非突出赋存状态要求残余瓦斯压力低于 0.74 MPa 或残余瓦斯含量小于 8 m3/t[7]。 2 地面预抽辅助消突技术 地面预抽辅助消突就是通过储层强化包括洞 穴完井、水力压裂等和预抽措施，改变构造煤体所 处的突出应力场环境和瓦斯赋存状态，在一定程度 上消除煤与瓦斯突出的物质基础和动力来源。 2.1 洞穴完井辅助消突技术 洞穴完井是在裸眼完井的基础上发展起来的一 种重要的煤层气完井方式和储层强化措施。该技术 通过人工动力、机械扩孔和高压水射流等[15]措施在 裸眼煤层段造穴，洞穴周围形成应力集中，使作用 于煤层的应力场重新分布，应力集中导致煤体在单 项负荷作用下向洞穴移动垮塌，并随着应力释放 向深部扩展，其影响半径范围可达数十米[16-17]，由 此产生的剪切裂隙、引张裂隙等与煤层中原有的内 外生裂隙沟通图 1，从而提高近井地带渗透性，达 到储层强化的目的。 图 1 裸眼洞穴周围应力分区和裂隙发育概念图据苏现 波等[16]，王成明等[18]，修改 Fig.1 Concept diagram showing stress zones and fracture development around the cave 在煤层中造穴打破了原岩应力平衡，形成泄压 区和应力集中带，应力集中导致煤岩体自洞穴周边 向深部发生一系列弹塑性变形，围绕洞穴形成极限 平衡区包括破碎带、塑性应力区、弹性应力区和 原岩应力区[18]。极限平衡区内的煤岩体由非稳定状 ChaoXing 第 3 期 张东亮 井巷揭煤地面预抽辅助消突技术 51 态向平衡稳定状态转化，使围岩不断沿薄弱面和破 坏面发生错动和剪切，新的破坏面不断产生包括周 缘裂隙和引张裂隙，应力不断释放，并大量消耗因 应力集中聚集的变形能。极限平衡区外边界应是应 力集中导致煤岩体塑性变形向深部发展的极限位 置，超过极限位置，煤岩体又处于弹性应力状态， 因此，极限平衡区外边界与应力集中带外边界一 致。 应力集中带范围可根据洞穴围岩受力状态建立 的极限平衡方程推导获得， 其外边界到洞穴壁的距 离 R[17]为   0 1sin ln 21 sin -mφ kλh R Nfφ 1 式中 m 为煤层厚度；f 为层面间的摩擦系数，一般 取 0.3；φ 为煤体内摩擦角；N0为煤体残余强度，可 在实验室测定；λ 为上覆岩层岩体密度；h 为煤层埋 深；k 为调整系数。 从式1可知，应力极限平衡区范围大小主要受 煤厚、埋深和煤的机械性能等因素影响。煤层越厚 越利于形成大的洞穴和较长的诱导裂隙[16]，从而扩 大应力释放范围；机械强度较低的碎软煤层由于内 摩擦角较小、内聚力较低，更易垮落形成洞穴，有 利于应力释放区向深部扩展；埋深越大，应力极限 平衡区范围也相应增大[19]。理论上，洞穴周围的应 力释放能够使围岩产生大量裂隙，从而提高煤层透 气性，煤层越厚、洞穴规模越大，越有利于扩大泄 压范围。 对于埋藏深、厚度大的碎软突出煤层，洞穴完 井一般可以取得更大的应力释放范围。通过科学布 井、洞穴完井和预抽，使应力释放区有效覆盖井巷 揭煤区域，改变井巷揭煤区域突出应力场环境和瓦 斯赋存状态，可达到降低突出危险性的目的。 2.2 水力压裂预抽辅助消突技术 水力压裂作为一种有效的储层增产措施在煤层 气开发领域得到了普遍应用。其原理是利用地面高 压泵车组通过井筒向煤层段挤注具有特定性能的 压裂液和支撑剂，在煤储层中留下一条或多条支撑 裂缝，从而有效地连接井筒和天然裂隙，在排水采 气时更广泛地分配井孔附近的压降， 提升产能[20-21]。 实践证明，水力压裂主裂缝半长可达数十米甚 至上百米[21]。煤层气井水力压裂后，经过不断排水 降压，煤储层压力持续下降，当储层压力低于临界 解吸压力时，瓦斯开始解吸并经裂缝随水流进入井 筒，随着抽采的持续，最终在以井筒为中心的煤储 层段形成一个不断扩大的压降漏斗区[22]，大量的瓦 斯解吸并产出井口。研究表明，水力压裂强化的煤 层气井经过一段时间的抽采，可有效降低煤层瓦斯 含量和瓦斯压力，在一定范围内可以达到消突的目 的，预抽消突时间与单井日产量之间呈负指数关系 增长[23]，单井抽采量越高，预抽消突时间越短。而 瓦斯抽采的强度一般随距井眼距离的增加而降低， 近井地带井眼周围 040 m 半径范围，由于裂缝宽 度最大，导流能力强水力压裂的支撑剂颗粒一般都 沉积在近井地带[24]，煤层瓦斯解吸和抽采最为充 分，是最早实现消突的区域。 实际上，井巷揭煤区范围较小，在揭煤区域确 定的情况下，可以通过合理的钻井轨迹设计和水力 压裂，对揭煤区提前进行 13 a 甚至更长时间抽采 覆盖，变突出区域为非突出区域。 3 工程应用 3.1 谢一矿石门揭煤洞穴完井辅助消突实践 淮南矿区谢一矿为典型的煤与瓦斯突出矿井， 瓦斯含量 1318 m3/t，瓦斯压力 2.06.8 MPa；井下 实测最大主应力值31.2 MPa[25]； 加之碎软煤层发育， 煤与瓦斯突出灾害严重， 已发生中–特大型突出事故 十余起。由于地应力高，瓦斯含量和压力高，井下 钻孔施工难度大，“喷孔”严重，抽采效果不佳，石 门揭煤突出危险系数大，井下措施已不能完全满足 防突需要。为了降低消突工作难度，缩短揭煤工期， 对–960 m 轨道石门揭 B11 煤层区域煤厚约 6.4 m 采用地面洞穴完井辅助消突。 在石门揭煤区域设计布置 2 口定向井T01 和 T02和 1 口多分支水平对接井T03图 2。其中， 两口定向井为洞穴井， 落点位于石门揭煤点的两侧， 相距约 15 m； 多分支水平井落点位于–960 m 轨道石 门上方的巷道中线上，并在 B11 煤层中侧钻形成两 个分支，分别与 T01 和 T02 井对接。钻井和固井结 束后，采用机械扩孔、高压水射流冲刷和空气动力 3 种方法相结合的方式，分别对 T01 和 T02 井 B11 煤层段进行造穴作业，其中机械扩孔最大孔直径为 500 mm，空气动力最大放喷压力 8 MPa。T01 井造 穴出煤粉量约 171 m3， T02 井造穴出煤粉量约 131 m3， 经粗略估算， 相当于分别形成了半径为 3.0 m 和 2.5 m 的圆柱形洞穴。造穴完成后，对 T01 和 T02 井分别 进行瓦斯抽采，共计抽采瓦斯量 4.75 万 m3。 由于洞穴井距离近约 15 m，造穴作业过程中井 间相互沟通，加之与 T03 井对接和瓦斯抽采，使石门 揭煤区域应力得到释放，泄压明显。井下钻孔测试显 示， 经过洞穴完井和预抽， 瓦斯压力由原始的 6.8 MPa 下降到 0.24.5 MPa，瓦斯含量由 18 m3/t 下降至 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 淮南谢一矿石门揭煤洞穴完井辅助消突示意图 Fig.2 Sketch diagram of auxiliary outburst elimination technique with cave completion during coal exposure in the cross-cut of Xieyi coal mine in Huainan coal field 13 m3/t[26]， 井下钻孔未再次出现严重喷孔现象， 有效 降低了井下揭煤防突难度，提高了揭煤效率。 3.2 官寨煤矿井筒揭煤辅助消突预测 贵州官寨煤矿属于筹建矿井， 煤层发育具有“层 数多、总厚度大”的特点，共含可采煤层 10 层，各 层平均煤厚 0.92.6 m。受井田大型断层带影响，各 煤层均遭受不同程度的构造破坏，碎软低渗煤层特 别是碎粒煤和糜棱煤较为发育，可采煤层试井平均 渗透率低于 0.1010-3 μm2。各煤层均为无烟煤，吸 附能力强，瓦斯含量高，埋深超过 200 m，瓦斯含 量一般超过 8 m3/t，最大达 24.90 m3/t，瓦斯压力 0.802.25 MPa。由于瓦斯含量高、压力大，加之煤 质碎软，各煤层均具有突出危险性。 官寨煤矿采用“斜井立井”联合开拓，主斜 井、副立井所在的大型断层带F2 和 F14 断层带 是突出的危险地带图 3，井筒揭露具有突出危险 性煤层时，在前方岩柱的有利约束下，工作面前 方会形成应力集中和能量聚集，在措施不到位的 情况下，极易发生突出事故。为了降低未来井筒 揭煤防突工作难度，提高揭煤效率，对副立井和 主斜井分别设计采用洞穴完井和水力压裂预抽技 术进行辅助消突。 3.2.1 副立井揭煤洞穴完井辅助消突 副立井位于南二盘区 F14、F13 和 Fx 断层切割 的断块位置，设计深度 546 m，截面宽约 4 m，揭穿 煤系与茅口灰岩大巷贯通。井检孔资料显示，井筒 揭穿厚度较大、具有突出危险性的煤层 8 层，煤厚 0.804.99 m，瓦斯含量 8.9816.31 m3/t表 1，瓦斯 压力 1.061.78 MPa，受断层影响，各可采煤层以碎 粒煤和糜棱煤为主。 图 3 贵州官寨煤矿井主斜井、副立井位置示意图 Fig.3 Location of the main inclined shaft and the auxiliary vertical shaft of Guanzhai mine in Guizhou Province 表 1 贵州官寨煤矿副立井井筒揭煤参数表 Table 1 Parameters of coal exposure in the auxiliary shaft of Guanzhai coal mine in Guizhou Province 煤号煤厚/m 瓦斯含量/ m3t-1 瓦斯压力/ MPa 煤体结构 2 3.1213.51 1.32 糜棱煤 4 3.5816.31 1.09 碎粒煤 6 1.5012.58 1.39 碎粒煤 10 1.7415.86 碎粒夹碎裂煤 11 1.9513.99 1.62 碎粒夹碎裂煤 12 4.9912.87 1.78 碎粒煤 15 1.108.98 1.06 碎裂夹碎粒煤 在副立井揭煤区两侧同一直线上设计布置 2 口 垂直井，2 井距井筒法线距离均为 10 m图 4a，垂 直井揭穿所有煤层后继续施工 50 m 口袋。 钻井和套 管完成后， 分别采用“机械扩孔高压水射流空气动 力”组合方式对两口井揭露的具有突出危险性的 2、 4、6、10、11、12 和 15 号等煤层进行洞穴完井。 ChaoXing 第 3 期 张东亮 井巷揭煤地面预抽辅助消突技术 53 造穴过程中，尽可能扩大洞穴的规模并使井间 同一煤层洞穴沟通，使应力释放，再通过抽采扩大 卸压区范围并覆盖揭煤区域；原则上，煤厚 0.82.0 m 的煤层，洞穴直径不小于 2.0 m，煤厚 3 m 以上的煤 层洞穴直径不小于 4 m。单井多层煤的洞穴完井， 采用自下而上的顺序进行，下部煤层造穴完成后， 在洞穴中填满粗砂，在上、下煤层之间下入可钻式 桥塞封隔；下部井断造穴完成后，开始上部煤层的 造穴作业，直至所有突出煤层全部完成造穴作业， 形成一个由井眼相连的“串珠”状洞穴；造穴作业全 部完成后，下钻扫除可钻桥塞，通井后，在井口安 装抽油机进行瓦斯合层抽采图 4a。 图 4 贵州官寨煤矿副立井洞穴完井及抽采效果预测图 Fig.4 Prediction of the effect of extraction and cave completion of the auxiliary shaft in Guanzhai mine，Guizhou Province 采用 CBM-SIM 数值模拟软件，对洞穴完井后各 煤层抽采效果进行预测，经过 330 d 抽采，抽采总量 达 10.82 万 m3，揭煤区域卸压，残余瓦斯含量降至 7.1612.00 m3/t，突出危险性大大降低表 2，图 4b。 表 2 贵州官寨煤矿副立井洞穴完井预抽效果预测表 Table 2 Prediction of effect of gas pre-drainage and cave completion of the auxiliary shaft in Guanzhai mine，， Guizhou Province 煤层 渗透率/ 10-3 μm2 储层压 力/MPa 造穴 直径/m 330 d 累计 抽采量/万 m3 残余瓦斯 含量/m3t-1 2 0.10 1.80 4 1.77 9.98 4 0.23 2.40 4 3.40 11.85 6 0.02 2.80 2 0.64 9.95 10 0.10 3.00 2 1.38 12.00 11 0.04 3.30 2 1.12 10.71 12 0.10 4.20 4 2.23 9.91 15 0.10 4.60 2 0.28 7.16 合计 10.82 3.2.2 主斜井揭煤水力压裂辅助消突 主斜井揭煤区位于北二盘区 F2 正断层下盘 图 3， 井筒倾角 21.5， 斜长 1 380 m， 断面宽约 4 m， 揭穿煤系与茅口灰岩中的大巷贯通。 井检孔资料显示， 揭露的 2 号、5 号、9 号和 11 号煤层为构造煤，瓦斯 含量 9.6417.21 m3/t，瓦斯压力 0.791.27 MPa表 3。 设计在井筒揭煤区布置“U”型井组，由 1 口定 向井和 1 口直井对接，其中，定向井井眼轨迹位于 主斜井井筒轨迹下方 510 m， 与主斜井井筒揭煤段 轨迹平行图 5。首先施工垂直井兼做参数井，再 施工定向井与垂直井对接。钻完井结束后，在定向 井段采用泵注桥塞电缆射孔压裂联合作业技术[27] 对 2 号、5 号、9 号、11 号煤层进行射孔和分段压 裂。压裂完成后，对揭露的其他煤层全部射孔打开， 在直井井口安装抽油机进行抽采图 5a。 表 3 贵州官寨煤矿主斜井揭穿煤层参数 Table 3 Coal and gas parameters of coal exposed in the main inclined shaft in Guanzhai mine，，Guizhou Province 煤层煤厚/m 气含量/m3t-1 瓦斯压力/MPa 煤体结构 2 1.689.64 0.82 碎裂夹碎粒煤 5 2.1011.67 0.79 碎裂夹碎粒煤 9 2.8817.21 1.02 碎粒夹碎裂煤 11 3.5012.73 1.27 碎粒夹碎裂煤 2015 年，官寨井田实施了地面瓦斯抽采试验 GZ-01 井， 获取了储层基础参数和气井生产动态数 据。根据这些生产数据，采用数值模拟方法进行历 史拟合获取的煤储层渗透率、储层压力等参数，更 加真实地反映官寨井田的储层地质条件，这些参数 可以用来对主斜井抽采效果进行预测。数值模拟结 果显示，主斜井采用定向井水力压裂方式进行 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 47 卷 a 井眼轨迹示意图 b 抽采效果预测图 图 5 主斜井揭煤水力压裂及抽采效果预测图 Fig.5 Prediction of extraction effectb and hydraulic fracturing a during coal exposed in the main inclined shaft deviated well inclined shaft 瓦斯抽采 1 a，近井地带井眼周围 30 m 范围瓦斯 含量降至 5.67.4 m3/t，满足主斜井开挖 20 m 范围 内瓦斯含量低于 8 m3/t 的要求[28]，主斜井揭煤突出 危险性大大降低图 5b。 4 结 论 a. 防突工作的核心任务是通过工程技术措施 改变构造煤体所处的突出应力场环境和瓦斯赋存状 态，消除突出发生的动力来源和物质基础，变突出 区域煤层为非突出区域煤层。 b. 在煤层中造穴，可以改变构造煤体所处的突 出应力场环境，减小因应力集中而聚集的变形能， 使洞穴周围一定范围内应力释放并卸压，从而减小 突出发生的动力来源；煤层越厚、洞穴规模越大越 利于取得大范围的应力释放和卸压。煤层气井近井 地带030 m 半径水力压裂形成的支撑裂缝宽度最 大，导流能力最强，煤层瓦斯解吸和抽采最为充分， 是最易实现消突的区域。工程实践表明，将洞穴完 井或水力压裂预抽形成的应力释放区或压降范围有 效地覆盖井巷揭煤区域，经过一段时间的抽采，降 低了煤层瓦斯含量和瓦斯压力，在一定程度上可降 低突出危险性甚至达到消突的目的。 c. 地面预抽辅助消突技术安全性高，可有效降 低井巷揭煤防突工作难度，提高揭煤效率，是井下 防突措施的重要补充，适合构造复杂带或深部强突 煤层井下措施难以到位、安全风险大的井巷揭煤 防突工作。 需要指出的是，我国煤矿地质构造复杂多样， 采用地面预抽技术开展井巷揭煤辅助消突，要充分 考虑安全性和生产接续的紧迫程度，考虑不同抽采 技术的适应性与经济性，灵活运用。再者，经过地 面预抽辅助消突，仍需要井下开展防突效果检验， 对于地面预抽不达标的区域， 需布置新的防突措施。 致谢在本文撰写过程中，王成、茹婷和王正 喜等同事给予了支持和帮助，在此表示衷心感谢 参考文献 [1] 胡千庭， 赵旭生. 中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策 建议[J]. 矿业安全与环保，2012，3951–6. 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