0 引 言
矿井瓦斯灾害是煤矿生产的五大灾害之首，它不仅会制约矿井高效生产，还会造成财产损失、人员伤亡，目前，瓦斯治理的根本措施在于煤层瓦斯抽采[1-4]，以降低煤层瓦斯含量和风流瓦斯浓度，达到防治瓦斯灾害的目的。然而，对于大多数单一低渗突出煤层，抽采效率低、钻孔工程量大、抽采周期长成为煤层瓦斯治理面临的技术瓶颈，严重影响了矿井的正常接替计划，制约了矿井高效生产。为提高煤层瓦斯透气性，解决这一系列难题，国内外煤炭从业者先后提出深孔松动爆破[5]、水力割缝[6-7]、水力冲孔[8-9]、CO2松动爆破[10-12]、水力压裂[13-15]等卸压增透措施，其中，水力化增透技术效果显著、实用性较强，广泛应用于低渗煤层瓦斯抽采工程中。然而，单一的水力化措施存在一定的局限性，如水力冲孔对硬煤作用效果差、施工工程量大且影响范围有限；水力割缝产生的裂隙空间小、卸压范围有限且裂隙闭合较快，尤其在软煤中水力割缝产生的裂隙持续性差；水力压裂能够形成煤层大面积裂缝，但对实体煤造缝面临裂缝数量有限、裂缝分布随机、裂缝方向难控制、容易产生局部应力集中等问题。为有效解决低渗煤层大面积、可持续卸压增透问题，亟需一种方便、高效的水力化卸压增透方法。笔者在充分研究国内外学者提出的煤层卸压增透方法及矿井工程应用情况的基础上，深入探讨了冲压一体化卸压增透技术[16-17]，阐述了该技术的常规使用方法，并开展现场试验，分析冲压作业对煤层瓦斯抽采效率的增益效果，以期为国内矿井瓦斯治理工程提供新技术。
1 冲压一体化卸压增透技术
冲压一体化技术将水力冲孔、水力压裂2种水力化措施联合，首先利用高压水射流进行冲孔，将钻孔周围的煤体冲出，形成一个大直径孔洞，破坏煤岩层原有的应力平衡状态，孔洞周围煤体向孔洞方向发生不同幅度的位移，促使应力状态重新分布，在煤层形成裂隙的同时促进煤体卸压，增加煤层渗透率，提升瓦斯抽采效率；水力冲孔之后，在煤层实施水力压裂，利用孔洞形成的卸压空间，使煤体在高压水作用下从压裂钻孔向冲孔孔洞方向整体错动，使煤层产生裂隙网络和卸压，扩大煤层瓦斯运移的裂隙通道，促进煤层瓦斯解吸和运移速率，提高煤层瓦斯抽采效率。以底板巷穿层孔为例，如图1所示，在底板巷施工2排间距L的扇形孔，排内钻孔孔底间距为a(L和a根据煤层地质条件和抽采工期而定，煤层透气越差、瓦斯含量越高、预抽期越短，则L和a则越小，反之亦然)，对每个钻孔进行冲孔，钻孔孔洞形成2排卸压槽，然后在2排冲孔钻孔之间施工1～2个压裂钻孔，对压裂钻孔进行水力压裂，在高压水和卸压槽的作用下，煤体发生剪切破坏和拉伸破坏，产生压裂裂缝，同时自压裂钻孔向两侧卸压槽方向错动，形成裂隙网络；最后在压裂后产生裂隙网的区域补打抽采钻孔进行抽采。
1—底板抽采巷；2—水力冲孔钻孔；3—水力压裂钻孔；4—抽采钻孔；5—卸压带；6—卸压槽；7—立体缝网；8—抽采巷；9—煤层
图1 冲压一体化技术钻孔布置示意
Fig.1 Schematic diagram of drill arrangement for the integrated technology of hydraulic stamping and hydrofracture
2 现场工程试验方案
2.1 试验区概况
新田煤矿位于黔西县城北东部，矿井开采深度水平为+1 463—+840 m，试验地点位于该矿1404回风巷条带，1404工作面所采4号煤层厚1.86～3.95 m，上部有约厚1 m的软煤，普氏系数为0.6左右，中间有厚1.2 m夹矸，下部厚2 m左右煤质较硬，普氏系数为0.8～1.6；煤层最大瓦斯压力为2.32 MPa。4号煤层瓦斯含量为10.95～30.00 m3/t，平均含量17.17 m3/t；煤层平均透气性系数为1.273 m2/(MPa2·d)，百米钻孔瓦斯流量衰减系数为0.011 9 d-1。
2.2 工程试验方案
首先进行水力冲孔，如图2所示，作业区在1404回风巷底抽巷366～664 m区域，在底板巷向1404回风巷条带施工扇形钻孔，每排7个钻孔，排内钻孔间距6 m，排间距52—73号为5 m、44—52号为4 m、1—44号为8 m，钻孔与巷道中心线夹角为90°，控制范围不少于条带两侧外15 m，对每个钻孔进行冲孔。计算煤层冲孔破裂压力18 MPa，设计泵压力20～22 MPa，采用直径2 mm和1.5 mm的冲孔喷嘴各2个，为保障卸压效果，设计冲孔煤量1.0～1.5 t/m，每米煤孔段的冲孔时间约30 min，冲孔后进行封孔联抽。
如图2所示，在已冲孔的条带区域，每隔40～60 m设计1～2个压裂钻孔，钻孔与巷道中心线夹角为90°，使用水泥封孔，封孔长度不少于40 m，经计算煤层破裂压力为12 MPa，考虑管路摩阻损失，设计泵注压力为20～25 MPa，为方便压裂过程中高压水排出，压裂前将压裂孔附近的已冲孔钻孔抽采管打开，待压裂作业完成、孔内积水排出后继续进行联抽。
图2 冲压一体化钻孔设计示意
Fig.2 Drill blueprint for the integrated technology of hydraulic stemping and hydrofracture
2.3 施工情况
笔者共统计1404回风底抽巷28个冲孔钻孔，单孔出煤量为1.5～7.0 t，单位出煤量为0.3～1.6 t/m，且在0.8～1.0 t/m居多，计算得到的冲孔体积在1.1～5.2 m3，由于煤储层变化以及开孔角度的影响，煤段长度在3.0～8.3 m，由冲孔椭球体方程[22]计算孔洞最大半径在0.23～0.72 m。
XT1402H-6号和XT1402H-8号封孔导致堵孔，压裂作业未能完成。1—11号钻孔(除6、8号压裂钻孔外)最高破裂压力为26 MPa、最低破裂压力为13 MPa，最大注水量为96.9 m3，最小注水量为21.5 m3。压裂过程中水压先迅速上升，持续一段时间达到煤层破裂压力后瞬间回落，煤层产生裂隙通道，水压趋于稳定，表现为压裂水溶液的稳定滤失，压裂钻孔附近的冲孔钻孔排出大量的煤水混合液，为煤层裂隙通道形成和卸压提供了空间。
3 冲压一体化卸压增透效果分析
3.1 水力冲孔抽采效果分析
图3给出了2014年21号钻场1—3号钻孔水力冲孔前后的抽采流量和浓度，分析数据后发现：1号钻孔冲孔前平均瓦斯体积分数仅为11.7%，纯量为0.008 28 m3/min，冲孔后平均瓦斯体积分数为27.46%，抽采纯量为0.017 4 m3/min，抽采纯量提高了110.1%；2号钻孔冲孔前平均瓦斯体积分数为41.65%，纯量为0.020 5 m3/min，冲孔后平均瓦斯体积分数为75.6%，抽采纯量为0.059 1 m3/min，抽采纯量提高了188.3%；3号钻孔冲孔前平均瓦斯体积分数为78.9%，纯量为0.030 5 m3/min，冲孔后平均瓦斯体积分数为85.6%，抽采纯量为0.071 3 m3/min，抽采纯量提高了133.8%。相较于冲孔之前，冲孔后钻孔的浓度和抽采纯量均提高了1.1～2.0倍，且能够维持1个月以上。
对1404回风底板巷20个穿层钻孔的冲孔效果比较，其中，冲孔钻孔14个，共计冲煤量70 t左右，未冲孔钻孔6个。连续监测15天抽采数据，对水力冲孔及未进行水力冲孔钻孔的抽采效果进行对比分析，如图4所示。未冲孔的6个钻孔抽采瓦斯体积分数在37%左右，而冲孔的14个钻孔的抽采瓦斯体积分数在50%左右，水力冲孔钻孔较未进行水力冲孔钻孔瓦斯抽采瓦斯体积分数提高35%左右；未冲孔的6个钻孔的最高的单孔抽采纯量为0.07 m3/min左右，而冲孔的14个钻孔的最高单孔抽采纯量为0.255 m3/min左右，比未冲孔钻孔提高了264.3%，钻孔纯量最高提升了近5倍，且抽采效果监测的15天中，冲孔钻孔的单孔抽采纯量一直高于未冲孔钻孔。可见水力冲孔措施出煤卸压，增大了煤层透气性，提高了钻孔的瓦斯抽采浓度、纯量。
图3 水力冲孔前后瓦斯抽采效果对比
Fig.3 Comparison of gas drainage efficiency before and after hydraulic stemping
图4 水力冲孔前后平均单孔瓦斯抽采纯量对比
Fig.4 Comparison of gas drainage quantity before and after hydraulic stemping
3.2 水力压裂抽采效果分析
压裂前后，影响范围内的钻场抽采量有不同程度变化，现将部分钻场进行对比，如图5所示(图中黑色竖直线为压裂时间点)。XT1404H-3号钻孔压裂后，其影响范围内的38、39号钻场纯流量从133.1 m3/d增加最大到526.4 m3/d，抽采纯量提高了295.5%；XT1404H-4、XT1404H-5号钻孔压裂后，38、39号钻场纯流量再次大幅提升，从72.2 m3/d增加最大到420.3 m3/d，抽采纯量提高了482.1%，体积分数也从20%左右增加到36%～43%，提高了80%～115%。52—54号钻场主要受到XT1404H-7、XT1404H-9号2个压裂孔的影响(XT1404H-6、XT1404H-8号封孔失败)，对XT1404H-7号钻孔进行第1次压裂后，52—54号钻场抽采纯量在180 m3/d左右，体积分数在25%左右；对XT1404H-7号进行第2次压裂、对XT1404H-9号进行第1次压裂后，52—54号钻场抽采纯量最高增加到719.1 m3/d，抽采纯量提高了399.5%，体积分数增加到45.4%，卸压增透效果明显。
图5 压裂后钻场抽采参数变化
Fig.5 Change of the drainage parameters before and after hydrofracture
4 结 论
1)讨论了水力冲压卸压增透抽采瓦斯机制，详细阐述了冲压一体化技术的现场实施方式，为该技术的工程试验提供支撑。
2)水力冲孔出煤量为0.3～1.6 t/m，冲孔孔洞的最大半径为0.23～0.72 m，冲孔后的平均瓦斯抽采体积分数提高了35%左右，瓦斯抽采纯量提高了1.1～5.0倍。
3)煤层破裂压力为13～26 MPa，钻场抽采瓦斯体积分数相较于冲孔后提高了0.8倍以上，钻场抽采纯量再次提高了3～5倍，说明水力冲压增透效果显著。
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