水力沖孔增透技術(shù)在突出煤層中的應(yīng)用實(shí)踐

田慧玲，汪國(guó)華，高建成，覃木廣

(1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.中平能化集團(tuán) 平煤設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467000；3.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山 467000；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

水力沖孔增透技術(shù)在突出煤層中的應(yīng)用實(shí)踐

田慧玲1，汪國(guó)華2，高建成3，覃木廣4

(1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.中平能化集團(tuán) 平煤設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467000；3.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山 467000；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

針對(duì)松軟突出煤層預(yù)抽煤巷條帶瓦斯中存在的問(wèn)題，需要采取卸壓增透的方法，介紹了穿層鉆孔“鉆-沖”耦合增透技術(shù)基本工藝流程及機(jī)理，研究了增透技術(shù)在松軟低透突出煤層區(qū)域消突措施中的應(yīng)用效果。實(shí)踐表明，日瓦斯涌出量約降低8.8%，保證了巷道的安全高效掘進(jìn)，同時(shí)煤層瓦斯含量下降15%～20%，動(dòng)力現(xiàn)象明顯減小，達(dá)到了煤體消突目的。

水力沖孔；水射流；瓦斯預(yù)抽

平頂山礦區(qū)主采突出煤層具有構(gòu)造煤普遍發(fā)育、煤體孔隙微小、透氣性相當(dāng)差、瓦斯吸附較多等特點(diǎn)，致使在工作面回采前打鉆困難和預(yù)抽瓦斯效果差，因此為了提高煤層瓦斯抽采的效率，有必要采取增加煤層透氣性的技術(shù)措施。目前主要的增透卸壓方法有水力化沖孔、割縫和煤層松動(dòng)爆破等，通過(guò)在鉆孔內(nèi)破壞煤體，形成卸壓空間，從而使周?chē)后w滲透性提高[1]。但是由于煤層賦存條件和差異較大的煤體結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同的煤層，上述方法的應(yīng)用效果有較大的差異，單一的增透方法難以滿(mǎn)足不同條件下煤體的治理要求，通過(guò)穿層鉆孔實(shí)施“鉆-沖”耦合卸壓增透方法，能有效解決平頂山礦區(qū)這一生產(chǎn)難題。

1 穿層鉆孔“鉆-沖”耦合增透技術(shù)

將水射流切割與煤體鉆進(jìn)2種技術(shù)手段進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，采用鉆割一體化裝備及技術(shù)，克服了傳統(tǒng)水射流切割技術(shù)措施工藝復(fù)雜的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤體安全高效卸壓增透，大大提高了突出煤層瓦斯抽采效率的目的。

1.1 設(shè)備工作原理

2個(gè)連續(xù)的環(huán)節(jié)構(gòu)成設(shè)備工作：通過(guò)鉆機(jī)施工本煤層或穿層鉆孔；通過(guò)水射流對(duì)煤體進(jìn)行切割。進(jìn)行與普通鉆孔施工相同的鉆孔施工方式，依據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要確定選擇螺旋鉆桿或是圓形鉆桿進(jìn)行操作。當(dāng)鉆進(jìn)到鉆孔設(shè)計(jì)的預(yù)定位置，先暫時(shí)停止鉆進(jìn)，啟動(dòng)高壓泵站并調(diào)節(jié)水壓到設(shè)計(jì)值，打開(kāi)鉆頭側(cè)向噴嘴，同時(shí)關(guān)閉鉆頭的供水口，啟動(dòng)鉆機(jī)，進(jìn)行退鉆，實(shí)施切割[2]。通過(guò)進(jìn)行穿層鉆孔的退鉆切割，形成裂隙和溝通空間，擴(kuò)大單鉆孔的有效影響面積，達(dá)到卸壓增透的目的，減少操作步驟和提高瓦斯抽采效率。

在水射流沖孔作業(yè)過(guò)程中，高壓水流經(jīng)液壓控制平臺(tái)，分水器，高壓密封鉆桿進(jìn)入鉆割一體化鉆頭處的噴嘴，然后在噴嘴出口處，形成高速、高壓水射流對(duì)煤體作用，實(shí)施切割作業(yè)，具體水流路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 裝置工作水流路線(xiàn)

1.2 穿層“鉆-沖”耦合技術(shù)機(jī)理

高瓦斯突出煤層“鉆-沖”耦合卸壓及瓦斯高效抽采技術(shù)機(jī)理是：在煤層巷道或回采工作面下方布置專(zhuān)用瓦斯治理巷，采用穿層“鉆-沖”耦合抽采模式，實(shí)現(xiàn)普通鉆孔、沖孔鉆孔、“鉆-沖”一體化鉆孔的耦合分布，使得區(qū)域瓦斯治理由穿層鉆孔的個(gè)體分散式抽采，轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域煤體的整體卸壓式抽采，通過(guò)不同類(lèi)型抽采鉆孔的耦合分布，有效破解了單個(gè)鉆孔形成的局部應(yīng)力集中；通過(guò)穿層抽采鉆孔“鉆-沖”一體化技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)了低壓鉆進(jìn)、中壓沖孔和高壓割縫的耦合作業(yè)，使得單一抽采鉆孔由直接卸壓抽采，轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯遞進(jìn)式卸壓抽采，有效減少了高瓦斯突出煤層中穿層鉆孔的噴孔、堵孔等現(xiàn)象，提高了單孔抽采的影響范圍；通過(guò)孔內(nèi)耦合與孔間耦合相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域煤體的整體卸壓增透，減少了預(yù)抽鉆孔數(shù)量和長(zhǎng)度，提高了煤層瓦斯預(yù)抽率。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

2.1 采區(qū)概況

在平煤八礦己15-14140機(jī)巷和切眼進(jìn)行了該應(yīng)用。采面位于己二上山采區(qū)西翼，標(biāo)高-510～-656m，地面標(biāo)高+120～+150m，埋深630～800m。煤厚平均3.6m，傾角平均22°，呈西緩東陡之趨勢(shì)[3]。

己15煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚約3.0m，距煤層頂板0.8m左右有一層0.1～0.5m的煤線(xiàn)，該層易隨采隨落。直接底為薄層泥巖，厚約2.8～6.0m，遇水易膨脹。己15煤層為自燃煤層，煤塵爆炸指數(shù)25.47%～26.78%，自燃發(fā)火期4～6個(gè)月；煤層下部有己16-17煤層，煤厚1.4～1.8m，與己15煤層間距2～8m[4]。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

八礦己15-14140機(jī)巷鉆孔布置如圖2所示。普通穿層預(yù)抽鉆孔每組8個(gè)，間距3m，卸壓鉆孔每組3個(gè)，間距4.5m，卸壓鉆孔與普通鉆孔間隔施工。

圖2 鉆孔布置

3 水力沖孔效果初步考察

3.1 消突效果分析

八礦己15-14140機(jī)巷底抽巷施工穿層預(yù)抽鉆孔，掩護(hù)上部機(jī)巷掘進(jìn)，將統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)過(guò)程中的各種參數(shù)，分析新技術(shù)應(yīng)用后的有益效果。

3.1.1 殘余瓦斯含量分析

此次采用直接法測(cè)定煤層殘余瓦斯含量，測(cè)定時(shí)，先通過(guò)施工穿層鉆孔，取煤芯入罐，然后測(cè)定所獲取的煤樣在空氣介質(zhì)中的瓦斯解吸規(guī)律，據(jù)此算出在采集過(guò)程中試樣的煤芯漏損瓦斯量，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定殘存的瓦斯含量，合并計(jì)算煤層瓦斯殘余瓦斯含量[5-8]。

早期測(cè)定己15煤層的原始瓦斯含量為20m3/t左右，從圖3可以看出，采用新技術(shù)預(yù)抽瓦斯之后，殘余含量多在3～5m3/t之間，可見(jiàn)煤層瓦斯含量大大降低，達(dá)到了煤體消突的目的。

圖3 殘余瓦斯含量分析

3.1.2 掘進(jìn)瓦斯涌出量分析

統(tǒng)計(jì)機(jī)巷掘進(jìn)記錄中的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，如圖4所示，從圖中看出，由于掘進(jìn)初期(前20d)未采用新的方法，瓦斯抽采效率低，因而機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)所監(jiān)測(cè)的瓦斯涌出量相對(duì)較高，在1130m3/d左右。后期掘進(jìn)采用了新的方法，煤體卸壓增透效果明顯，瓦斯抽采流量及濃度有效提高，機(jī)巷瓦斯涌出量迅速下降，維持在1030 m3/d左右，約降低8.8%(減小100 m3/d)，使機(jī)巷的安全高效掘進(jìn)得到了保證。

圖4 掘進(jìn)瓦斯涌出量分析

3.1.3 動(dòng)力現(xiàn)象分析

對(duì)八礦己15-14140機(jī)巷掘進(jìn)期間動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行量化，由量化結(jié)果可知在巷道760～810m的對(duì)比區(qū)內(nèi)(未采用新方法，僅采用普通孔抽采)，動(dòng)力現(xiàn)象明顯增多，掘進(jìn)速度減緩，如圖5所示，說(shuō)明沖孔對(duì)消除煤巷瓦斯危險(xiǎn)具有良好效果。

圖5 動(dòng)力現(xiàn)象分析

3.2 與傳統(tǒng)方法對(duì)比

己15-14120采面位于己二上山采區(qū)西翼，煤層厚度基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚平均3.6m。傾角平均22°，地質(zhì)情況與己15-14140相似。采用高位巷水力壓裂結(jié)合松動(dòng)爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)巷掘進(jìn)工作面卸壓增透，提高瓦斯抽采效果。如圖6、圖7所示。

圖6 14120機(jī)巷消突措施

圖7 14140與14120機(jī)巷位置示意

己15-14140采面與己15-14120采面相鄰，如圖7所示，且與己15-14120機(jī)巷工作面相比，己15-14140機(jī)巷的埋藏較深，因而己15-14140機(jī)巷的突出指標(biāo)與危險(xiǎn)性應(yīng)比己15-14120大。2條巷道采取了不同的掩護(hù)機(jī)巷掘進(jìn)的方法，不同方法的卸壓增透效果在2個(gè)機(jī)巷掘進(jìn)過(guò)程中體現(xiàn)明顯。

3.2.1 2條機(jī)巷掘進(jìn)中日瓦斯涌出量對(duì)比分析

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖8)可以看出，己15-14120機(jī)巷掘進(jìn)工作面的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕?，多?.2%～0.5%之間，己15-14140每天瓦斯?jié)舛却蟛糠志S持在0.10%～0.12%之間，可見(jiàn)己15-14120機(jī)巷在掘進(jìn)期間瓦斯涌出量較大。

前期，己15-14120機(jī)巷掘進(jìn)日瓦斯涌出量稍高于己15-14140機(jī)巷，多維持在1350m3/d左右。約220d后，這種差異開(kāi)始變得非常明顯，己15-14120機(jī)巷瓦斯涌出量急劇升高，最高達(dá)4490m3/d。與此同時(shí)，己15-14140機(jī)巷日瓦斯涌出量變化不大。從而說(shuō)明了新的方法使得煤體卸壓充分、增透明顯，抽采效果得到了很大提高，殘余瓦斯含量降低顯著，同時(shí)保證了安全快速掘進(jìn)[4]。

圖8 日瓦斯涌出量對(duì)比

3.2.2 兩機(jī)巷掘進(jìn)過(guò)程中q，S值對(duì)比分析

從圖9可以看出，由于己15-14140機(jī)巷采取了“鉆-沖”耦合卸壓及瓦斯高效抽采技術(shù)，故掘進(jìn)過(guò)程中，q，S值均顯著降低，己15-14140機(jī)巷的q均值為0.58，14120的q均值為0.9，降低36%。同時(shí)，己15-14140機(jī)巷的S均值為2.9，己15-14120機(jī)巷為3.2，降低約10.3%。

圖9 機(jī)巷q，S值對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)采用新技術(shù)以后，校檢指標(biāo)鉆孔瓦斯涌出初速度q平均值0.54 L/min，平均降低了27%。校檢指標(biāo)鉆屑量S平均值2.986kg/m，平均降低了3.2%。日瓦斯涌出量迅速下降，維持在1030m3/d左右，約降低8.8%，保證了機(jī)巷的安全高效掘進(jìn)。

(2)早期測(cè)定己15煤層的原始瓦斯含量為20m3/t左右，采用新技術(shù)預(yù)抽瓦斯之后，殘余含量多在3～5m3/t之間，可見(jiàn)瓦斯含量大大降低，達(dá)到煤體消突目的。

(3)對(duì)八礦己15-14140機(jī)巷掘進(jìn)期間動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行量化，由量化結(jié)果可知在巷道760～810m的對(duì)比區(qū)內(nèi)(未采用新方法，僅采用普通孔抽采)，動(dòng)力現(xiàn)象明顯增多，掘進(jìn)速度減緩，說(shuō)明沖孔對(duì)消除煤巷瓦斯危險(xiǎn)具有良好效果。

(4)己15-14120機(jī)巷掘進(jìn)工作面與己15-14140機(jī)巷掘進(jìn)工作面相比，己15-14140的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^小，q，S值均顯著降低，說(shuō)明新的方法對(duì)煤層卸壓增透起到了良好的效果。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Application Practical of Hydraulic Flushing Increase Fractures in Outburst Coal Seam

TIAN Hui-ling1,WANG Guo-hua2，GAO Jian-cheng3，QIN Mu-guang4

(1.Pingdingshan Industrial College of Technology，Pingdingshan 467000，China；2.Pingmei Designing Institute，Zhongping Nenghua Corporation，Pingdingshan 467000，China；3.China Pingmei Shenma Corporation Energy and Chemical Research Institute，Pingdingshan 467000，China；4.CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

To the problems of strip gas pre-drainage of coal roadway in soft and outburst coal seam，then the method of unloading and increase fractures was used，it introduced basic technology and principle of coupling increase fractures of through strata hole‘drilling- impact’,the practical results of increase fractures technology applied on outburst elimination measures of outburst coal seam area.The practical showed that，gas emission amount decreased about 8.8% in a day，and roadway driving safety was ensured，coal seam gas amount decreased 15%～20% at the same time，dynamic phenomenon decreased obviously，and coal seam gas emission was reached.

hydraulic flushing；water jet flow；gas drainage

2016-11-30

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.025

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0600704)

田慧玲(1981-)，女，河南商丘人，碩士，講師，從事教學(xué)方面的研究和工作。

田慧玲，汪國(guó)華，高建成，等.水力沖孔增透技術(shù)在突出煤層中的應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(3)：85-88.

TD712.62

A

1006-6225(2017)03-0085-04