可控定向聚能爆注一体化技术在单一高瓦斯低透气性煤层中的应用

可控定向聚能爆注一体化技术在单一高瓦斯低透气性煤层中的应用

高建康

（河南神火煤电股份有限公司  河南 永城 476600）

摘要：为提高单一高瓦斯低透气性松软煤层的瓦斯抽采能力,消除传统水力冲孔施工完成后会在钻孔周围形成新的应力集中区影响抽采效果，通过工程实践研究了可控定向聚能爆注技术，将水力冲孔形成的应力集中区进行应力再分布，释放突出煤层的应力，降低了煤体能量，提高了抽采效果。

关键词：水力冲孔;可控定向聚能爆注;瓦斯灾害治理

The application of controllable directional energy burst injection technology in single high gas low permeability coal seam

GAO Jiankang

（Henan Shenhuo Coal Industry and Electric Power Co.,Ltd.,Yongcheng, Henan 476600）

Abstract: in order to improve the single high gas low permeability soft coal seam gas extraction capacity, eliminate the traditional hydraulic punching construction will form the new stress concentration around the drilling influence extraction effect, through the engineering practice studied the controllable directional poly can burst injection technology, the stress concentration of stress redistribution, release the stress of coal seam, reduce the coal energy, improve the extraction effect.

Key words: Hydraulic punching; Controllable directional energy injection; Gas disaster control

0.引言

煤炭资源在我国一次能源消费结构中约占60%[1]，90%以上煤炭依靠井工开采，随着开采深度的增加，以及煤系地层构造复杂，煤与瓦斯突出灾害加剧[2-4]。预抽煤层瓦斯是瓦斯灾害治理的一项重要措施，影响煤层瓦斯抽放效果的主要因素是煤层透气性系数［5］，常见提高煤层透气性系数的措施有煤层高压注水、水力冲孔、水力割缝、松动爆破等，但是对于高瓦斯低透气性难抽煤层的抽放效果还是不理想。这里将可控定向聚能爆注技术用于瓦斯灾害治理，充分释放煤体应力，提高煤层透气性，降低煤体能量，实现突出煤层高效卸压增透抽采，从而消除突出危险性。

1.矿井概况

薛湖煤矿位于河南省永城市北部，属永城市薛湖乡管辖。矿井东西长16km，南北宽2.8～6.5km， 面积73.9508km2。开采方式为地下开采，开采矿种为无烟煤，主采煤层为二2煤层；根据矿井瓦斯地质图及 29 采区瓦斯相关资料：29采区原始瓦斯含量为6.2～15m3/t，原始瓦斯压力 0.16～1.9MPa。

2.可控定向聚能爆注技术试验

2.1技术原理

可控定向聚能爆注是指通过改变传统装药结构，在炸药爆炸时利用聚能管的聚能穴或聚能槽产生的聚能效应来定向集聚爆炸能量，实现增强预定方向破坏作用的一种非常规措施，聚能管装药平面结构如图所示。

图 1  聚能管装药平面结构

2.2试验方案

对定向聚能爆注卸压增透影响范围的测定主要考察应力和瓦斯抽采两个方面，应力则通过围岩应力传感器和爆注钻孔不同距离处的排渣量变化考察，瓦斯抽采通过爆注钻孔不同距离处的瓦斯抽采浓度和流量变化考察。由于测定过程中需要多个测试钻孔，且每个钻孔之间的距离较小，穿层钻孔极易产生偏移和串孔现象，故选择在薛湖煤矿29040机巷已经掘进完成的地点，向巷道两帮的冲孔区域采用顺层钻孔进行爆注和测试。可控定向聚能爆注钻孔及影响范围测定钻孔布置如下。

图2 聚能管测定钻孔布置示意图

表 1  聚能管测定钻孔施工参数

3.结果分析

3.1应力测定结果及分析

为了测量爆注后爆注钻孔周围不同距离处的应力，在距爆注钻孔不同距离处布置了围岩应力传感器，围岩应力传感器安装好之后，每天观测其读数，连续观测读数稳定时，减去原始读数即为修正示数。

表 2  应力传感器读数

图 3  爆注后不同距离处围岩应力传感器示数

上图为应力修正示数与传感器距爆注孔距离的关系曲线图。由上表、图可知，随着围岩应力传感器距爆注孔距离的增大，应力示数也逐渐增大，整体上距爆注孔2～8m的应力示数皆小于10m处的应力示数，说明在可控定向聚能爆注技术的作用下，煤体内部应力再平衡，起到了明显的应力降低作用。

3.2排渣量测定结果及分析

为了测定爆注对周围煤体应力前后的影响，测定了距离爆注钻孔不同距离处爆注前后的钻孔施工的排渣量，排渣量测定结果见下图曲线。

图 4 爆注前后不同距离的排渣量对比

在冲孔区域经过可控定向聚能爆注后，煤层被卸压，距离爆注孔10m范围内的排渣量均有所降低，聚能管聚能爆注后10m范围内排渣量降低了1.78～6.52kg/m。可控定向聚能爆注在薛湖煤矿二 2煤层的水力冲孔区域的卸压影响范围至少为10m。

3.3瓦斯抽采测定结果

B1#～B5#连接管路等抽采稳定后记录测定爆注前的抽采纯量，爆注后30min后进入现场每10min测定一次，之后连续观测10天。部分抽采纯量测定结果下图所示。

图 5 距爆注孔4m处B2#爆注前后瓦斯抽采纯量

由测量结果可知，在聚能爆注之后的0～110min，距离爆注孔10m内的抽采孔的抽采纯量皆有不同程度的提升，在后续的十天内，抽采纯量有所波动，但多数时间大于爆注前的抽采纯量。爆注后 30～110min，距离爆注孔 2m、4m、6m、8m、10m 处的抽采钻孔的平均抽采纯量比爆注前增加了 1.4～7.8 倍。

综上所述，在可控定向聚能爆注技术的作用下，煤体内部应力再平衡，起到了明显的卸压增透作用，可控定向聚能爆注一体化技术在薛湖煤矿二 2 煤层的水力冲孔区域的卸压降能影响范围至少为 10m。

4.结语

可控定向聚能爆注在定向致裂煤体方面优势明显，通过爆炸载荷的作用在煤层中形成压碎区和裂隙区，并通过水力冲孔孔洞的作用进一步扩大裂隙区的范围从而使煤层松动、透气性增大，有效地卸载了地应力，增加了瓦斯抽采量，最终保证煤矿安全生产。

参考文献：

[1] 刘峰, 曹文君, 张建明, 等. 我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向 [J]. 煤炭学报, 2021, 46(1): 1–15. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.0042.

[2] CAO Y X, ZHANG J S, ZHAI H, et al. CO2 gas fracturing: A novel reservoir stimulation technology in low permeability gassy coal seams [J]. Fuel, 2017, 203: 197–207. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.04.053.

[3] 梁运涛, 曾文. 激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性及影响因素 [J]. 爆炸与冲击, 2010, 30(4): 370–376. DOI: 10.11883/1001- 1455(2010)04-0370-07.

[4] 聂百胜, 马延崑, 何学秋, 等. 煤与瓦斯突出微观机理探索研究 [J]. 中国矿业大学学报, 2022, 51(2): 207–220. DOI: 10. 13247/j.cnki.jcumt.001384.

[5]于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 ［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，

2005:186–196.

作者简介：高建康（1980—），男，工程师，硕士，毕业于中国矿业大学流体力学专业，长期从事煤矿瓦斯灾害治理技术工作。

1