新景礦本煤層水力造穴技術(shù)研究與應(yīng)用

王軍燕

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

水力沖孔技術(shù)是低透煤層預(yù)抽煤層瓦斯采用的最有效的增透措施之一[1]. 由于新景礦為高突礦井，采用本煤層常規(guī)鉆孔預(yù)抽瓦斯，煤層透氣性差導(dǎo)致鉆孔瓦斯抽放量小，不利于降低煤層瓦斯含量，解決瓦斯突出問題。相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)研究認(rèn)為高瓦斯突出煤層只有大范圍卸壓后煤層的透氣性才能得到提高，瓦斯抽采量才能提高。

新景礦在3#煤掘進(jìn)工作面采用了水力造穴措施，增大了煤層透氣性，抽采效果取得了明顯成效。為了提高工作面本煤層抽采量及煤體透氣性，為工作面回采前瓦斯治理奠定基礎(chǔ)，決定在3216工作面對本煤層鉆孔水力造穴技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

1 工作面概況

新景礦3216綜采工作面位于蘆南二區(qū)北翼中部，南北走向長1 390 m，工作面長度204 m，所采3#煤厚度2.17～2.45 m，煤層傾角3°～9°，結(jié)構(gòu)簡單。煤體瓦斯壓力0.75～1.57 MPa，煤層瓦斯含量18.17～23.11 m3/t，為高突工作面。工作面布置3條主要巷道，分別為進(jìn)風(fēng)巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷。工作面采用Y型通風(fēng)方式，即兩進(jìn)一回通風(fēng)法。本次試驗(yàn)以3216輔助進(jìn)風(fēng)巷為起點(diǎn)，向本煤層打水力造穴鉆孔。

2 水力造穴工藝

水力造穴工藝流程為：鉆孔施工→造穴→卸鉆桿→下篩管→下封孔管→封孔→接抽。其中造穴工序是試驗(yàn)的核心。

具體造穴工序?yàn)椋恒@孔施工至第一個(gè)造穴位置時(shí)，鉆桿尾部更換高壓旋轉(zhuǎn)接頭，用d 25 mm的高壓快插式膠管將高壓旋轉(zhuǎn)接頭與履帶式高壓水泵站出水口連接，起動(dòng)鉆機(jī)主高壓水泵站，水泵出水壓力調(diào)節(jié)到18 MPa，鉆機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，前后1 m范圍內(nèi)緩慢上下鉆桿，保持造穴30 min. 停止造穴。鉆桿尾部更換金剛石復(fù)合鉆頭，繼續(xù)鉆進(jìn)至下一造穴位置重復(fù)上述沖孔造穴流程。以此循環(huán)完成單孔所有造穴，造穴完成后退出鉆桿，移動(dòng)鉆機(jī)到下一孔位。

造穴主要設(shè)備：ZDY4500LX型液壓鉆機(jī)，d 63.5 mm的三棱鉆桿，d 94 mm金剛石復(fù)合片鉆頭。造穴裝備示意圖見圖1.

圖1 造穴裝備示意圖

3 布孔參數(shù)確定

3.1 鉆孔間距

鉆孔間距根據(jù)單孔抽采半徑確定，即每相鄰兩孔間距應(yīng)保證小于兩孔抽采半徑之和。即起始鉆孔抽采量衰減終點(diǎn)能處于下一孔的抽采半徑范圍內(nèi)[2]. 以此類推，保證鉆孔抽采范圍能覆蓋整個(gè)工作面所推進(jìn)的長度而不出現(xiàn)中斷。如中斷區(qū)域會因?yàn)殂@孔抽采范圍無法覆蓋，當(dāng)工作面推進(jìn)到此區(qū)域附近時(shí)，煤體卸壓釋放的瓦斯無法抽采而涌向工作面造成瓦斯超限，帶來安全隱患。從掘進(jìn)工作面水力造穴抽采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，單孔抽采半徑為4.8～5.6 m. 因此，確定鉆孔間距為5 m.

3.2 造穴間距

造穴間距的確定是保證水力造穴工藝卸壓增透效果的關(guān)鍵，間距過大無法有效消突，過小則影響施工進(jìn)度。因此，在3216掘進(jìn)工作面水力造穴現(xiàn)場試驗(yàn)了5 m、7 m、9 m造穴間距，通過施工時(shí)間和卸壓增透效果考察，最終確定造穴間距7 m最宜。

3.3 試驗(yàn)方案確定

在3216工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷煤頭往外約30 m處開始施工試驗(yàn)鉆孔，試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)2組，每10個(gè)鉆孔為一組，鉆孔設(shè)計(jì)長度120 m. 試驗(yàn)鉆孔由里向外施工。為了與試驗(yàn)鉆孔對比考察抽采效果，施工前，先按原鉆孔設(shè)計(jì)及流程施工2組鉆孔。

第一組：1#～10#鉆孔，鉆孔間距5 m. 造穴鉆孔與瓦斯預(yù)抽鉆孔交替施工，5個(gè)瓦斯預(yù)抽鉆孔施工完畢后，再施工造穴鉆孔。1#、3#、5#、7#、9#為5個(gè)造穴鉆孔，從20 m開始造穴，造穴間距7 m，共設(shè)計(jì)75個(gè)造穴位置；2#、4#、6#、8#、10#共5個(gè)瓦斯預(yù)抽鉆孔,工程量為1 200 m.

第二組：11#～20#鉆孔，鉆孔間距5 m，10個(gè)鉆孔均為造穴鉆孔，造穴間距均為7 m.鉆孔從27 m開始造穴，共設(shè)計(jì)140個(gè)造穴位置，工程量1 200 m.

造穴位置參數(shù)表見表1.

表1 造穴位置參數(shù)表

4 應(yīng)用效果考察

4.1 沖出煤量與造穴半徑考察

沖孔造穴是將鉆孔附近的煤體破碎排出孔洞，而其目的就是利用高壓水的不斷沖刷使孔洞的半徑不斷增大[3]， 使造穴周圍煤體向孔洞內(nèi)卸壓變形，從而釋放煤體聚集的突出壓力和富含的瓦斯[4]. 擴(kuò)孔半徑可由下式計(jì)算[5]：

(1)

式中：

m—沖出的煤量，t；

γ—煤的視密度，t/m3；

d0—沖孔前鉆孔孔徑，mm；

dx—擴(kuò)孔后的孔徑，mm；

l—水力沖孔的煤段長度，m.

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集并結(jié)合式(1)計(jì)算得出：造穴鉆孔平均單孔出煤量34.5 t，單孔每米出煤量0.29 t，平均造穴半徑780 mm.可見，造穴鉆孔范圍內(nèi)煤體得到了有效的卸壓增透。

4.2 抽采效果考察

試驗(yàn)期間，鉆孔抽放參數(shù)每天觀測一次，經(jīng)過30 d抽放，對試驗(yàn)鉆孔中造穴鉆孔與常規(guī)預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采濃度和純量對比分析，得出試驗(yàn)中造穴鉆孔平均抽采濃度為42.4%，預(yù)抽鉆孔平均抽采濃度為26%，造穴鉆孔抽采濃度為預(yù)抽鉆孔的1.6倍；造穴鉆孔抽采純量平均為0.094 m3/min，預(yù)抽鉆孔抽采純量平均為0.041 m3/min，造穴鉆孔抽采純量約為預(yù)抽鉆孔的2.3倍。造穴鉆孔與預(yù)抽鉆孔抽采效果對比見圖2，3.

圖2 造穴鉆孔與預(yù)抽鉆孔抽采濃度對比圖

由圖2，3可見，水力造穴鉆孔抽采量在10天左右出現(xiàn)明顯下降，經(jīng)研究認(rèn)為：由于3#煤為低透氣煤層，無論水力造穴鉆孔還是常規(guī)鉆孔都有一定的抽采半徑，水力造穴鉆孔有效增大了抽采半徑，抽采半徑范圍內(nèi)的煤體得到了卸壓增透，有利于抽采。因此，增透區(qū)域煤體抽采量很大，經(jīng)過短期抽采后卸壓區(qū)煤體可抽瓦斯量急劇下降，之后瓦斯抽采量主要來自未卸壓的低透氣煤體，此時(shí)便出現(xiàn)水力造穴鉆孔與常規(guī)鉆孔抽采量相近的現(xiàn)象。為考察卸壓增透效果，在造穴前對試驗(yàn)區(qū)煤體取煤樣測試瓦斯含量，經(jīng)過一個(gè)月的抽采后重新測試卸壓區(qū)瓦斯含量，瓦斯含量由12.47 m3/t降為7.62 m3/t，抽采達(dá)標(biāo)。

圖3 造穴鉆孔與預(yù)抽鉆孔抽采純量對比圖

5 結(jié) 論

1) 采用ZDY4500LX型液壓鉆機(jī)在新景礦進(jìn)行水力造穴試驗(yàn)，造穴完成后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測得出：水力造穴鉆孔平均造穴半徑為780 mm，平均抽采濃度為預(yù)抽鉆孔的1.6倍；平均抽采純量為預(yù)抽鉆孔的2.3倍。抽采一個(gè)月后，抽采達(dá)標(biāo)，瓦斯含量大幅降低。

2) 試驗(yàn)研究表明，工作面本煤層應(yīng)用水力造穴技術(shù)提高了突出煤層透氣性，并大幅度提高工作面瓦斯預(yù)抽采量。