基于钻冲压协调作业的煤层卸压增透技术

杨程涛 ，武腾飞 ，张卫华 ，熊俊杰

（1.河南能源集团研究总院有限公司，河南 郑州 450046；2.河南省低渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心，河南 郑州 450046；3.鹤壁煤电股份有限公司 第六煤矿，河南 鹤壁 458006）

河南能源集团有限公司下属矿井大多为单一煤层，尤其是鹤壁矿区，开采条件复杂，煤层平均厚度在8.0 m 左右，区域内煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，瓦斯治理难度大。矿区常采用底抽巷穿层施工钻孔进行水力化措施后预抽煤层瓦斯的方式治理瓦斯，在现场应用的同时，暴露出诸多问题：首先，煤矿井主要常规液压钻机进行钻孔的施工，在施工过程中，由于钻机的自动化程度较低，操作复杂，工作效率低，劳动强度大，降低底抽巷施工穿层钻孔的工效；其次，施工人员在钻机施工过程中，距孔口距离较近，在遭遇突发事件时，难以及时撤离，存在安全隐患；再次，普通钻机施工在钻孔钻进过程中无法知道钻孔轨迹和钻头层位，主要依靠人工经验法来分析判断钻孔是否到达设计层位，判断结果往往具有一定偏差、延迟和误差；最后，由于水力化措施作业中煤体破碎卸压导致大量游离瓦斯释放，极易发生巷道瓦斯超限事故，施工安全得不到保障。

针对鹤壁矿区所存在的技术问题，提出以自动钻机群打钻-临时封孔预抽-水力冲压联合卸压增透的钻冲压协调作业技术模式[1-5]，以期提高数字化施工技术水平，达到减人提效、提高瓦斯抽采效果、降低劳动强度及保障施工安全的目的。

1 水力冲压联合卸压增透机理

煤层瓦斯抽采水力化增透措施，目前主要有水力冲孔、水力压裂、水力割缝、大直径机械扩孔等方式[6-8]。其中水力冲孔和水力压裂2 种增透方式在不同矿区都得到了广泛的应用，但单一采用水力压裂或水力冲孔技术都存在一定的局限性[9-10]。因此，考虑将2 种技术相结合，在同一瓦斯抽采单元同时进行水力冲孔和水力压裂联合卸压增透抽采瓦斯技术，充分利用水力冲孔出煤卸压为水力压裂时煤体大范围位移提供通道，利用水力压裂开启、扩展、延伸煤层裂隙，水力冲压联合卸压增透技术具有导向和均匀化应力分布实现瓦斯抽采单元较大范围卸压增透作用，促进孔隙裂隙网络的发育，从而极大的提高煤层透气性，两者各取所长，共同提高瓦斯抽采效率[11-16]。

水力冲压联合卸压增透技术根据水力压裂、水力冲孔实施的先后顺序可分为2 种：①先进行水力压裂后进行水力冲孔的先压后冲联合卸压增透抽采技术；②先进行水力冲孔后进行水力压裂的先冲后压联合卸压增透技术。

水力冲压联合卸压增透技术，能够有效地扩大瓦斯治理单元煤层透气性，达到高效抽采煤层瓦斯，在煤层瓦斯治理单元的两端施工2 列水力冲孔钻孔，尽量多冲出煤屑，接着在瓦斯治理单元中间布置2 个水力压裂钻孔，由于水力冲孔钻孔为煤体弹塑性变形提供了空间，诱导压裂过程中裂隙向水力冲孔钻孔生成与扩展，形成整体的裂隙网络，提高瓦斯治理单元整体透气性[17-20]，达到瓦斯治理单元卸压增透消突的效果。

首先，在瓦斯抽采单元两端施工2 列水力冲孔控制孔，促使钻孔多冲出煤体，水力冲孔孔洞周围煤体产生塑性破坏，可实现水力冲孔孔洞周围煤体的局部增透[20-21]；在瓦斯抽采单元中间布置水力压裂孔，进行水力压裂作业，在此过程中水力冲孔钻孔为煤体整体弹塑性变形提供空间[22]。当压裂作业造成的煤体产生弹塑性变形和位移，导致煤水渣从水力冲孔钻孔排泄出来，在持续的水力压裂作业下，瓦斯抽采单元裂隙网络不断扩展发育延伸，瓦斯抽采单元煤体整体大范围破坏，裂隙充分发育，并又可以彼此相互地补充或贯通，形成立体裂隙网络 ，地应力，瓦斯压力在煤体弹塑性变形过程中应力集中得到充分释放，钻孔之间应力峰值下降，煤体透气性提高，之后再补充一定数量的抽采钻孔，可以达到卸压增透的效果，提高单元整体抽采效率，达到减少钻孔工程量、缩短预抽时间的效果。

2 水力冲压联合卸压增透数值模拟

为了对比分析2 种工艺下的水力冲压联合卸压增透瓦斯抽采效果，以鹤煤六矿煤层物理力学相关参数为基础，进行先冲后压和先压后冲2 种工艺条件下的瓦斯抽采效果模拟，鹤煤六矿煤层物理力学相关参数为：①原始瓦斯压力：2.0 MPa；②弹性模量：2 800 MPa；③吸附系数a：32.072 m3/t；④吸附系数b：1.009 MPa-1；⑤抽采负压：13 kPa；⑥瓦斯动力黏度：1.05×10-5Pa·s；⑦孔隙率：0.068；⑧煤层密度：1 390 m3/t；⑨透气率：2×10-15m2；⑩泊松比：0.28。

布孔方式以沿煤层走向30 m 为1 个瓦斯抽采单元。水力冲孔区域单列布置6 个钻孔，冲孔水压为8 MPa，冲孔出煤后钻孔半径为200 mm；2列冲孔孔洞间距为30 m，在2 排冲孔中间区域等距布置了2 个水力压裂孔，孔径为94 mm，压裂水压为24 MPa。

为了分析在抽采过程中的瓦斯运移情况，分别选取抽采30、60、90、180 d 时的瓦斯压力云图进行分析。抽采30、60、90、180 d 时的瓦斯压力云图分别如图1～图4。

图1 抽采30 d 时的瓦斯压力分布图Fig.1 Gas pressure distribution of extraction at 30 d

图3 抽采90 d 时的瓦斯压力分布图Fig.3 Gas pressure distribution of extraction at 90 d

图4 抽采180 d 时的瓦斯压力分布图Fig.4 Gas pressure distribution of extraction at 180 d

可以看出：2 种工艺在抽采初期，抽采影响范围基本呈圆形分布，不同梯度相同瓦斯压力区域构成同心圆；抽采时间为90 d 时，抽采影响范围逐渐增大，同心圆面积扩大，2 孔的抽采影响范围开始有重叠重合的迹象，由于压力的叠加效应以及两孔之间的裂隙网更加发达等缘故，2 种工艺下的瓦斯抽采影响范围都偏向于向2 孔的中心区域靠拢；抽采时间为180 d 时，瓦斯压力进一步下降，云图中的颜色更加浅，抽采影响范围边界有着向裂隙的尖端进行延伸的倾向。

对比2 种工艺下的抽采影响范围发现：先冲后压工艺下的影响范围明显大于先压后冲，在相同抽采时间下，其煤层内的瓦斯压力更低，云图颜色更浅；尽管图中先压后冲工艺下的裂隙貌似较多，但是先冲后压工艺能够造就更多的微观裂隙，以更大的孔隙率表现出来，对周围煤体造成的破坏更大，形成的裂隙网络更加发达；除此之外，先冲后压造成的裂隙宽度更大，为瓦斯流动提供了更加通畅的运移通道，瓦斯抽采的效率也随之增大，瓦斯压力下降更快，影响范围更广。

为了更为清楚的研究不同抽采时间下钻孔周围的瓦斯有效影响半径情况，按照河南省的相关文件规定，以0.6 MPa 瓦斯压力作为抽采的有效影响半径界定压力，分析本次模拟瓦斯抽采有效影响区域。抽采30、60、90、180 d 时的有效抽采影响区域如图5～图8。

图5 抽采30 d 时的有效抽采影响区域Fig.5 Effective extraction impact area of extraction at 30 d

图6 抽采60 d 时的有效抽采影响区域Fig.6 Effective extraction impact area of extraction at 60 d

图7 抽采90 d 时的有效抽采影响区域Fig.7 Effective extraction impact area of extraction at 90 d

图8 抽采180 d 时的有效抽采影响区域Fig.8 Effective extraction impact area of extraction at 180 d

可以看出：在抽采前期，瓦斯抽采的有效区域以抽采孔为圆心缓慢扩大，在抽采时间90 d 之前，其有效区域都不够明显，难以从图中肉眼观察出来；当抽采实际达到90 d 时，有效抽采区域开始逐步显现，沿着裂隙方向延展；当抽采时间达到180 d 时，先冲后压情况下的两孔有效影响区域发生了重合，且有向2 钻孔中心区域靠拢的趋势，整体上呈“∞”形分布，这是因为由于压力的叠加效应以及2 孔之间的裂隙网更加发达等缘故造成的，且其在水平方向上的最大抽采影响半径大于在垂直方向上的最大抽采影响半径，这恰是先冲后压工艺下的裂隙更倾向于在水平方向上发展的缘故；而先压后冲情况下的2 孔有效影响区域并没有发生重合，但是仍然有向2 钻孔中心区域靠拢的趋势，且其有效影响区域是沿着水平与垂直裂隙的方向进行扩展的。2 种工艺下的瓦斯有效抽采影响区域面积的增大速率是上升的，这是由于随着有效区域的扩大，更多裂隙网被纳入其中，相互贯通，进一步提升了抽采速率。

通过比较2 种冲压联合增透技术的有效抽采影响区域和瓦斯压力分布情况，现场井下采用先冲后压水力联合卸压增透技术进行工业性试验。

3 现场工程试验

3.1 钻冲压协调作业设备

自动钻机为ZYWL-4000SY 型煤矿用分体履带式全液压钻机，钻机主要由副车、操纵台、遥控器、行走操作台、履带车、提升架、动力头、机械手、传感器 总成、机架、对顶夹持器、提升架、钻杆箱、锚固组件和钻具等部分组成。该钻机具有全自动钻进、大容量钻杆自动装卸、钻孔姿态自动调节、远距离自动控制、钻孔煤岩界面识别等功能。

水力冲压联合卸压增透设备还包括冲压联合钻机、高压密封钻杆、钻头、高压旋转水尾、高压水泵、高压胶管、高压闸阀及耐高压封孔器等。

临时封孔器采用自主研发的矿用临时封孔器，主要由中心管、密封件和控制阀门构成。中心管由前端、中端和末端3 部分连接构成。密封件主要由膨胀胶管和密封金属件构成。控制阀门主要由阀门、高压胶管、管接头和压力表等构成。中心管采用新型轻质碳纤维材料，代替了传统的钢制管，大大降低封孔器自重，降低工人劳动强度，提高工作效率。利用膨胀胶管的冲压膨胀使其紧紧地固定在钻孔壁上，卸压时膨胀胶管在其自身韧性的作用下恢复原状，取出封孔器，该封孔器可重复使用。

3.2 试验方案

鹤煤六矿3001 工作面内煤层赋存稳定，主采煤层为二1煤，平均煤厚8.78 m，煤层倾角27°～30°；工作面埋深602.04～692.12 m。工作面斜长154.65 m，可采走向长1 657.73 m，煤密度1.38 t/m³，煤层最大瓦斯含量为13.79 m3/t，瓦斯压力为1.4～2.6 MPa，煤层有效抽采半径为2.73 m；煤层透气性系数为1.43～1.99 m2/(MPa2·d)，钻孔流量衰减系数为0.019 2 d-1，属可抽放煤层。

在3001 上底抽巷的82#～95#钻场开展钻冲压协调作业技术模式应用试验，每个钻场共2 排钻孔，各钻场钻孔排间距为2.5 m，钻孔间距0.5 m，每组钻场16 个钻孔。以压裂半径15～20 m 进行压裂单元设计及压裂钻孔布置。共布置2 个试验单元：①82#～88#钻场为第1 试验单元，采用钻冲协调作业方式进行施工；②89#～95#钻场为第2 试验单元，采用常规水力冲压联合卸压增透作为考察对比单元，每个单元分别安装1 套在线监测计量仪，对瓦斯抽采参数进行考察。第1 试验单元以82#钻场为起始，第2 试验单元以89#钻场为起始，以压裂控制范围15 m 进行布置，根据压裂钻场中钻孔的终孔点间距，结合压裂半径的影响范围，选择85#、92#钻场中的7#和15#钻孔为压裂钻孔（2个试验单元共计4 个压裂孔）。钻孔布置示意图如图9，压裂孔参数见表1。

表1 压裂孔参数表Table 1 Fracture hole parameters table

图9 钻孔布置示意图Fig.9 Drill hole arrangement schematic

钻冲压协调作业工艺施工顺序：在3001 上底抽巷内30 m 钻冲压协调作业试验单元施工2 列水力冲孔钻孔，经过临时抽采后，全部进行冲孔；在2 列水力冲孔钻孔中间施工2 个水力压裂钻孔，经过临时抽采后，进行压裂，然后再施工其余抽采钻孔。

1）利用自动钻机群（4 台自动钻机）施工82#、88#钻场第1 列钻孔（1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#），钻孔施工完成后，自动钻机群不再进行水力化措施作业，直接开新孔施工。

2）对所施工的抽采钻孔采用临时封孔器进行封孔连抽，同时，利用自动钻机施工85#钻场7#、15#2 个水力压裂钻孔，距离原先施工的2 列水力冲孔钻孔15 m。

3）临时抽采一定时间（7 d）或瓦斯体积分数小于20%后，取下临时封孔器，利用水力冲压联合钻机进行水力冲孔作业（单孔出煤量暂按6～8 t 计），冲孔结束后及时连抽，作为卸压通道。

4）对85#钻场7#、15#2 个水力压裂钻孔进行水力压裂，水力压裂施工结束后，按照设计采用自动钻机群施工85#钻场及试验单元其他钻场的其余钻孔。

5）临时抽采一定时间（7 d）或瓦斯体积分数小于20%后，取下临时封孔器，利用水力冲压联合钻机进行水力冲孔作业（单孔出煤量暂按6～8 t 计），冲孔结束后及时连抽。

3.3 试验过程

根据试验要求，结合矿上生产安排，在3001上底抽巷82#～88#钻场实施第1 试验单元的试验场地，钻孔设计深度21～68 m，倾角12°～85°，方位角109°～278°。于2022 年3 月1 日开始施工钻孔，至2022 年4 月15 日完成试验单元内所有工序，共钻孔112 个，终孔直径均为94 mm，总进尺为4 012.5 m。其中采用井下无线遥控器操作自动钻机施工3 个钻场钻孔，共计48 个钻孔，总进尺1 719 m；采用地面远距离控制模式控制4 台自动钻机联动联控施工4 个钻场钻孔，共计64 个钻孔，总进尺2 293.5 m。

1）试验前期，使用单台自动钻机施工穿层瓦斯抽放孔，采用井下无线遥控器操作单台自动钻机施工。钻机钻进与退钻均为全自动施工，每台钻机每班只需配置1 人，进行操作钻机、添加钻杆、记录现场情况、除渣等工作。

2）试验中后期，使用自动钻机群（4 台自动钻机）施工穿层瓦斯抽放孔，采用地面远距离控制模式控制4 台自动钻机联动联控进行钻孔施工，单班施工人数为3 人，其中地面1 人进行操控钻机，井下2 人进行辅助作业。

3）试验过程中，对试验单元内实施期间巷道瓦斯体积分数进行统计，施工期间相关地点无打钻施工，因此以六矿3001 上底抽巷打钻处瓦斯传感器的数值作为分析参考依据。

水力强化前：3001 上底抽巷打钻处瓦斯体积分数在0.07%～0.13%之间波动，取其平均值0.10%。

水力强化期间：3001 上底抽巷打钻处瓦斯体积分数在0.15%～0.21%之间波动，平均值0.18%。

4 效果考察

4.1 施工工效考察

根据鹤煤六矿3001 上底抽巷2 个试验单元的施工考察情况，对2 种不同作业模式在施工过程中需要的作业人员数量、作业时间进行了统计，钻机施工过程中所用作业人员和作业时间对比见表2。

表2 钻机施工过程中所用作业人员和作业时间对比Table 2 Comparison of operators and operating time used in the construction process of the drilling rig

水力化措施期间风流瓦斯体积分数：采用钻冲压协调作业模式回风流瓦斯体积分数平均为0.18%；常规水力冲压联合作业模式回风流瓦斯体积分数平均为0.30%。

完成试验单元所有工序所耗费的时间：采用钻冲压协调作业模式试验耗时46 d；常规水力冲压联合作业模式试验耗时89 d。

从现场试验中可以看出：

1）使用自动钻机进行钻孔施工，其自动化程度高，采用井下无线遥控器操作单台自动钻机施工，将单台单班人数由3 人减至1 人，进行操作钻机、添加钻杆、记录现场情况、除渣等工作；采用地面远距离控制模式控制4 台自动钻机联动联控施工，4 台钻机将单班施工人数由12 人减至3 人，其中地面1 人进行操控钻机，井下2 人进行辅助作业。减员效果和人均效率提升十分显著，大幅减轻了井下瓦斯治理钻孔的劳动强度，提高了现场安全性。

2）采用钻冲压协调作业技术模式，实现了井下钻孔施工、水力化措施施工的规模化、连续化：自动钻机群负责钻孔施工，钻孔施工完成后自动钻机群不再进行水力化措施作业，直接开新孔施工钻孔；水力冲压联合钻机负责水力冲孔、水力压裂等水力化措施的施工，极大提高了工作效率。

3）采用钻冲压协调作业技术模式，抽采钻孔施工完成后，对其进行临时抽采，使钻孔内的游离态瓦斯经过抽采后大幅减少，降低了水力化措施施工期间巷道瓦斯超限事故发生的频率，有效保障了施工的安全。

4）采用钻冲压协调作业技术模式完成试验单元内所有工序用时46 d，采用常规水力冲压作业模式完成试验单元内所有工序用时89 d，使顶（底）板岩巷内施工穿层钻孔治理瓦斯的施工工效在同等地质条件提高48%。

4.2 瓦斯抽采效果考察

为对比分析钻冲压协调作业技术模式和常规水力冲压作业模式的瓦斯抽采效果，在鹤煤六矿3001 上底抽巷分别进行了钻冲压协调作业技术模式、常规水力冲压作业模式等煤层强化抽采试验。瓦斯体积分数变化曲线如图10，瓦斯日抽采纯量变化曲线图如图11。

图10 瓦斯体积分数变化曲线Fig.10 Variation curves of gas extraction concentration

图11 瓦斯日抽采纯量变化曲线图Fig.11 Graph of the variation of the daily pure volume of gas extraction

连抽60 d 时段内，采用钻冲压协调作业的试验单元平均瓦斯体积分数为59.39%；而常规水力冲压的试验单元钻孔平均为45.32%。钻冲压协调作业试验单元的钻孔平均瓦斯体积分数是常规水力冲压试验单元的1.31 倍。采用钻冲压协调作业试验单元的平均瓦斯日抽采纯量为145.94 m3/d，而常规水力冲压试验单元的钻孔平均为81.31 m3/d；钻冲压协调作业试验单元钻孔平均日抽采纯量是常规水力冲压试验单元的1.79 倍，钻冲压协调作业试验单元的瓦斯抽采纯量较常规水力冲压试验单元有了较大提高。

5 结 语

1）提出了以自动钻机群打钻—临时封孔预抽—水力冲压联合卸压增透的钻冲压协调作业技术模式。自动钻机负责钻孔施工，钻孔施工完成后自动钻机不再进行水力化措施作业，直接开新孔施工钻孔。水力冲压联合作业机负责水力化措施增透的施工。

2）钻冲压协调作业技术模式充分发挥了自动钻机群连续打钻、快速作业、减员提效的优势，实现了井下钻孔施工、水力化措施施工的规模化、连续化；使顶（底）板岩巷内施工穿层钻孔治理瓦斯的施工工效在同等地质条件提高48%；抽采钻孔施工完成后，对其进行临时抽采，使钻孔内的游离态瓦斯经过抽采后大幅减少，降低了水力化措施施工期间巷道瓦斯超限事故发生的频率，有效保障了施工的安全。

3）在鹤壁矿区六矿开展工业试验，应用效果显著。鹤煤六矿采用钻冲压协调作业工艺的钻孔平均瓦斯体积分数是常规水力冲压措施的1.31 倍，采用钻冲压协调作业工艺单元钻孔平均日抽采纯量是常规水力冲压措施的1.79 倍，钻冲压协调作业工艺单元的抽采纯量较常规水力冲压单元有了较大提高。