高壓水射流卸壓增透技術(shù)在松軟厚煤層防突中的應(yīng)用

劉新民

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦井下一種復(fù)雜的動力現(xiàn)象，其致災(zāi)機理復(fù)雜，影響因素眾多，到目前為止，突出發(fā)生原因、規(guī)律尚未完全掌握，煤與瓦斯突出防治仍然是一項世界性難題[1-2]。在有突出危險的厚煤層進行巷道掘進時，往往由于掘進區(qū)域煤體內(nèi)殘余瓦斯含量仍然較高，導(dǎo)致瓦斯涌出量大，巷道內(nèi)瓦斯容易超限，常常影響巷道的掘進速度。掘進速度又影響正常的采掘接替，因此，往往會造成本煤層瓦斯預(yù)抽時間短，抽采率低等問題，給工作面安全回采帶來了隱患。

多年的開采實踐證明，開采保護層是國內(nèi)外一致認可的消除煤層突出危險，提高煤層瓦斯抽采效率的有效措施。但是對于高應(yīng)力、透氣性差且無保護層開采條件的突出煤層進行卸壓增透成為行業(yè)研究的重點和難點。隨著科技裝備的發(fā)展，高壓水射流擴孔卸壓增透技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種比較成熟的卸壓增透措施，通過采用高壓水射流作用將鉆孔內(nèi)部分煤體沖出，卸除鉆孔周邊煤體應(yīng)力，在煤體中制造裂隙，增加煤層透氣性，加快煤體瓦斯解吸速度，強化瓦斯抽采效果。高壓水射流擴孔卸壓增透技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的安全防突措施[3-9]。

1 試驗工作面概況

桑樹坪煤礦為突出礦井，開采的2#、3#、11#煤層均為突出煤層，其中主采3#煤層為近水平嚴重突出厚煤層，共發(fā)生突出122次，表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型突出。礦井開采突出危險性相對較小的2#、11#煤層保護主采3#煤層，但礦井北翼上覆近距離2#煤層部分區(qū)域不可采，同時下伏11#煤層受奧灰水害威脅嚴重也不具備下保護層開采條件。因此，直接開采近水平嚴重突出厚煤層預(yù)抽綜合防突技術(shù)是礦井可持續(xù)生產(chǎn)重大安全生產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)難題。針對桑樹坪煤礦不具備開采保護層條件區(qū)域，以4321工作面為試驗工作面，開展底板巷上向穿層鉆孔高壓水射流擴孔卸壓增透強化煤巷條帶區(qū)域瓦斯抽采試驗。

以桑樹坪煤礦北一采區(qū)下山的4321工作面作為試驗工作面，該工作面區(qū)域3#煤層埋深為500～560 m。工作面采用傾斜條帶布置，仰斜開采，傾斜可采長度1 133 m，切眼寬度170 m，在設(shè)計的4321運輸順槽正下方20 m的底板中布置一條底板瓦斯抽放巷，如圖1所示。

圖1 4321工作面巷道布置示意圖

4321工作面3#煤層位于二疊系下二疊統(tǒng)山西組中部，為厚煤層，煤厚3.5～14.0 m，平均7.0 m，具體表現(xiàn)為上部偏薄、中下部較厚的特點。3#煤層土狀構(gòu)造，似土質(zhì)煤，煤體破壞類型為Ⅴ類，煤的堅固性系數(shù)0.1～0.3。工作面傾斜上部直接頂為中砂巖、粉砂巖，頂板巖性堅硬，平均厚度16.65 m；傾斜下部含砂質(zhì)泥巖頂板，厚度為3.0 m；老頂為中砂巖。3#煤層直接底板主要是細砂巖，堅硬致密，平均厚度3.0 m。韓城礦區(qū)具有6級淺源地震地壓背景，煤系地層層滑構(gòu)造發(fā)育，煤層賦存厚度變化大，其頂?shù)装鍍Υ媪舜罅繌椥阅?，?yīng)力主導(dǎo)型突出危險性增加。在4321工作面試驗區(qū)域測得3#煤層原始瓦斯壓力為0.88 MPa，瓦斯含量8.69 m3/t，屬較難抽采煤層。

2 高壓水射流擴孔增透技術(shù)及裝備

2.1 高壓水射流擴孔增透機理

由高壓泵作為高壓水射流動力源，通過高壓鉆桿帶動擴孔鉆頭旋轉(zhuǎn)，高壓水射流對鉆孔周邊的煤體進行旋轉(zhuǎn)式切割與鉆進，同時利用擴孔鉆頭鉆切齒切割并破碎大塊煤以提高排渣效果。高壓擴孔鉆桿沿鉆孔軸向旋轉(zhuǎn)前進從而對整個鉆孔的徑向連續(xù)擴孔，進而增加鉆孔直徑和煤層暴露表面積，提高煤體的卸壓增透效果，有效提升單孔抽采瓦斯量和抽采效率，快速降低或消除突出潛能[10-11](彈性能、瓦斯?jié)撃?，如圖2所示。

a-普通鉆孔；b-擴孔鉆孔圖2 普通與擴孔鉆孔抽采對比示意圖

高壓水射流鉆擴技術(shù)能夠有效增加煤層透氣性，進而增大煤層抽采半徑，減少鉆孔工程量，縮短抽采時間。利用水射流鉆擴一體化技術(shù)可以較好地實現(xiàn)設(shè)計區(qū)域均勻卸壓、提高透氣性和促進瓦斯抽放的作用，降低或消除突出的彈性能與瓦斯?jié)撃?。突出煤層煤巷條帶區(qū)域消突及石門揭煤采用穿層鉆孔高壓水射流鉆擴一體化卸壓防突技術(shù)安全可靠，效果顯著。

2.2 一體化技術(shù)工藝及參數(shù)選型

高壓水射流鉆擴一體化裝置主要由高壓清水泵、高壓鉆桿、擴孔鉆頭、高壓旋轉(zhuǎn)水尾、水箱、高壓膠管、高壓閘閥、礦用鉆機等組成。高壓水射流擴孔一體化技術(shù)工藝如圖3所示。鉆孔施工至預(yù)定深度后，開啟高壓清水泵，高壓水通過噴嘴在鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動下對孔壁進行沖刷切割，增加或者拆卸鉆桿實現(xiàn)鉆進擴孔和后退擴孔，直到擴孔段的長度達到設(shè)計要求，擴孔作業(yè)結(jié)束。

圖3 高壓水射流鉆擴一體化技術(shù)工藝示意圖

擴孔噴嘴直徑φ2.0～4.0 mm，煤層堅固性系數(shù)越小其選擇的噴嘴直徑越大，同時兼顧流量排屑的影響。試驗區(qū)煤層堅固性系數(shù)0.1～0.3，確定選擇噴嘴直徑φ3.0 mm，不同泵流量下的排屑情況見表1，泵流量達到200 L/min時，可保證煤屑與水混合物順暢排出。根據(jù)試驗情況，選擇噴嘴直徑φ3.0 mm，泵流量≥200 L/min，泵的工作壓力18 MPa。由于煤層松軟，若采用鉆孔施工完畢后倒退擴孔，一方面鉆孔本身難以成孔，另一方面倒退擴孔過程中易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，因此，確定采用鉆孔見煤后直接擴孔的方式。

表1 不同泵流量下的排屑情況

3 高壓水射流擴孔效果初步試驗

3.1 試驗考察擴孔鉆孔布置

在桑樹坪煤礦北一采區(qū)4321底板巷設(shè)計4組觀察鉆孔，4組鉆孔終孔間距依次分別為6 m×6 m，6 m×6 m，8 m×8 m，10 m×10 m。鉆孔控制4321回順輪廓線外范圍≥15 m。設(shè)計鉆孔直徑94 mm，鉆孔應(yīng)穿過煤層0.5 m，擴孔鉆孔見煤后使用高壓水射流鉆擴一體化裝置進行擴孔。擴孔鉆孔布置如圖4所示。對不同擴孔方式、鉆孔間距、排出煤屑率、擴孔前后鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)等進行觀察。

圖4 高壓水射流擴孔初步試驗鉆孔布置圖

3.2 試驗效果分析

3#煤層擴孔前鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.079 6～0.102 0 d-1，屬于較難抽采煤層，擴孔后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.018 1～0.039 2 d-1，屬于可以抽采煤層，減小3～7倍。擴孔后鉆孔流量由1.085 5 L/min提高至2.377 1 L/min，鉆孔瓦斯涌出量提高2倍，見表2。通過擴出煤屑率、擴孔前后鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)等結(jié)果對比分析得出：通過高壓水射流擴孔，煤層的可抽性得到明顯改善。

表2 擴孔前后鉆孔瓦斯涌出相關(guān)參數(shù)測定結(jié)果

初步試驗區(qū)域每組擴孔鉆孔擴出煤屑率進行分析，排出煤屑率統(tǒng)計見表3。

表3 排出煤屑率統(tǒng)計表

全擴試驗擴孔區(qū)域排出煤屑率1.35%～2.49%，隨鉆孔間距的增大而減??；分析認為擴孔鉆孔間距為6 m時，卸壓效果較理想。

4 高壓水射流擴孔擴大試驗

4.1 擴大試驗穿層鉆孔布置

基于底板巷初步試驗擴孔鉆孔的抽采效果及抽采半徑，優(yōu)化設(shè)計后續(xù)底板巷延伸區(qū)域的3～8號鉆場區(qū)域擴孔鉆孔，采用6 m×6 m完全擴孔方式，擴大試驗區(qū)擴孔鉆孔布置以4號鉆場鉆孔為例，如圖5所示。

圖5 高壓水射流擴孔擴大試驗鉆孔布置圖

4.2 擴大試驗預(yù)抽效果分析

擴大試驗采用完全擴孔方式，試驗區(qū)排出煤屑率統(tǒng)計見表4。普通區(qū)域每組平均單個孔排出煤屑量1.67～2.67 t，普通區(qū)域每組排出煤屑率1.24%～2.41%。

表4 擴大試驗排出煤屑率統(tǒng)計表

底板巷采用穿層擴孔對4321運順條帶預(yù)抽煤層瓦斯時，抽采負壓0.12～23.73 kPa，混合流量2.78～36.35 m3/min，濃度8.04%～52.35%，平均23.86%；日抽采瓦斯量658.96～11 987.5 m3，日均5 282.65 m3，平均單孔抽采量0.033 m3/min，累計抽采瓦斯73.64萬m3，如圖6所示。礦井普通鉆孔預(yù)抽濃度一般不超過10%，單孔抽采量0.020 m3/min，擴孔前后相比，擴孔的抽采濃度及抽采量都顯著提高。同時，通過水力擴孔排出大量煤屑，增大了煤層內(nèi)部自由空間，卸除煤層中的部分應(yīng)力，消除突出的煤體彈性能，對控制桑樹坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型突出效果顯著。

圖6 擴孔鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

試驗區(qū)3#煤層瓦斯含量最高為8.69 m3/t，按照預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量目標5 m3/t計算，擴孔試驗區(qū)域應(yīng)該抽采瓦斯39.41萬m3，達到預(yù)期抽采目標。4321運輸巷高壓水射流擴孔試驗段效果檢驗3#煤層殘余瓦斯含量4.24～5.95 m3/t，平均為5.08 m3/t，殘余瓦斯含量值小于規(guī)定的臨界值8 m3/t，且驗孔時在煤層中未產(chǎn)生噴孔、頂鉆等其他突出預(yù)兆，確定4321運輸巷試驗段區(qū)域無突出危險。

5 結(jié)論

(1)高壓水射流擴孔卸壓增透措施能夠有效解決桑樹坪煤礦松軟低透的地應(yīng)力主導(dǎo)型突出煤層的區(qū)域消突。通過水力擴孔措施，單個鉆孔能夠有效地排渣1.67～2.67 t，擴孔排出煤屑率1.24%～2.41%，鉆孔周圍煤體得到卸壓充分、煤層透氣性顯著增加，瓦斯涌出量大幅度增加。

(2)高壓水射流擴孔增透措施能有效地提高桑樹坪煤礦松軟低透煤層瓦斯預(yù)抽效果。3#煤層擴孔后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)減小3～7倍，擴孔后鉆孔瓦斯涌出量提高2倍。高壓水射流擴孔卸壓增透技術(shù)的應(yīng)用為桑樹坪煤礦松軟嚴重突出厚煤層煤巷條帶預(yù)抽防突提供了一條可行、可靠的技術(shù)思路。