水力沖孔增透技術(shù)的研究與應(yīng)用

呂棟男，田 靜

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司大淑村礦，河北 邯鄲 056000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

突出煤層區(qū)域防突措施包括開(kāi)采保護(hù)層、預(yù)抽煤層瓦斯，兩種方法均可以有效降低突出的動(dòng)力，達(dá)到消突的目的，尤其是保護(hù)層開(kāi)采，它是防治煤與瓦斯突出措施中較為經(jīng)濟(jì)、有效的區(qū)域性措施。但由于受地質(zhì)條件影響，很多地區(qū)無(wú)法開(kāi)采保護(hù)層，只能進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯進(jìn)行區(qū)域消突，隨著采掘深度的加大，在進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)，鉆孔施工難度大，瓦斯抽采率較低，預(yù)抽煤層瓦斯需要耗費(fèi)大量時(shí)間和工程量抽采，再加上井下鉆孔封孔質(zhì)量低、管理不到位等因素影響，造成煤層消突效果不佳，采掘交替緊張，嚴(yán)重制約生產(chǎn)。因此，針對(duì)高瓦斯、低透氣性煤層的增透技術(shù)的研究，對(duì)煤層安全高效的開(kāi)采具有十分重要的意義[1-2]。

水力沖孔技術(shù)是指依靠鉆機(jī)打鉆時(shí)噴射的水射流沖擊鉆孔周?chē)拿后w造成煤體破碎，使沖孔附近煤體卸壓增透，沖出大量煤體和瓦斯，以消除采掘突出危險(xiǎn)的方法[3-4]。目前，水力沖孔增透技術(shù)在煤層安全高效開(kāi)采上已得到較為廣泛的應(yīng)用，并達(dá)到了一定的消突效果[5-6]。

因此，以冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦為工程背景，介紹了水力沖孔增透技術(shù)的施工流程，考察了水力沖孔增透效果。并在三采區(qū)皮帶下山石門(mén)揭煤期間進(jìn)行了應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。

1 水力沖孔技術(shù)

1.1 水力沖孔系統(tǒng)

水力沖孔系統(tǒng)一般是由乳化液泵、鉆機(jī)、高壓膠管、多功能高壓水表、增壓回流裝置、防噴裝置和噴頭等組成，本次試驗(yàn)在實(shí)施過(guò)程中增加了壓濾機(jī)，壓濾機(jī)的作用是將鉆孔里沖出來(lái)的煤水分離，水力沖孔系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

圖1 水力沖孔系統(tǒng)布置示意圖

1.2 水力沖孔工藝流程

水力沖孔前，預(yù)先測(cè)定施工鉆孔周?chē)后w中的瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)等參數(shù)。在實(shí)施水力沖孔過(guò)程中要時(shí)刻注意觀察并記錄附近鉆孔的瓦斯壓力、瓦斯流量和瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r。待沖孔工作結(jié)束后對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔注漿，然后連接到瓦斯抽采管路上進(jìn)行抽采。水力沖孔工藝流程如圖2所示。

圖2 水力沖孔工藝流程圖

2 水力沖孔效果考察

2.1 鉆孔布置

在172107底抽巷間隔一定距離依次施工2、3、4、5、6、7#孔和1個(gè)水力沖孔措施孔，終孔一個(gè)封閉一個(gè)，所有鉆孔在每一個(gè)鉆孔封孔結(jié)束后，立即安裝壓力表測(cè)定瓦斯壓力。考察鉆孔布置如圖3所示。

圖3 水力沖孔效果考察鉆孔布置示意圖

2.2 效果考察

待所有的觀測(cè)孔壓力穩(wěn)定后開(kāi)始施工1#鉆孔水力沖孔，沖孔一段時(shí)間后，措施孔內(nèi)不再有煤渣或返清水后停止沖孔。繼續(xù)觀測(cè)2、3、4、5、6和7#孔氣體壓力，測(cè)定并繪出各測(cè)量鉆孔的瓦斯壓力變化曲線。經(jīng)觀測(cè)，2#觀測(cè)孔壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 2#觀測(cè)孔壓力變化趨勢(shì)圖

對(duì)圖4進(jìn)行分析可知，2#觀測(cè)孔的壓力下降趨勢(shì)非常明顯，逐漸降低到0，由衰減趨勢(shì)可推測(cè)，隨著預(yù)抽孔抽采時(shí)間的再延長(zhǎng)，2#觀測(cè)孔的壓力有可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓情況，并由2#觀測(cè)孔的壓力變化曲線很容易看出其壓力在預(yù)抽孔剛聯(lián)網(wǎng)抽采后就呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，可見(jiàn)2#觀測(cè)孔處于完全卸壓范圍內(nèi)。

經(jīng)觀測(cè)，3#觀測(cè)孔壓力變化曲線如圖5所示。對(duì)圖5進(jìn)行分析可知，3#觀測(cè)孔的壓力下降趨勢(shì)也非常明顯，逐漸降低，在聯(lián)網(wǎng)后一周內(nèi)就出現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，并由3#觀測(cè)孔的壓力變化曲線很容易看出其壓力在預(yù)抽孔剛聯(lián)網(wǎng)抽采后就呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且鉆孔壓力值連續(xù)下降幅度均大于10%，下降幅度最高達(dá)到88%，說(shuō)明3#壓力觀測(cè)孔處在有效抽采半徑之內(nèi)。

圖5 3#觀測(cè)孔壓力變化趨勢(shì)圖

經(jīng)觀測(cè)，4#觀測(cè)孔壓力變化曲線如圖6所示。對(duì)圖6進(jìn)行分析可知，4#壓力觀測(cè)孔的壓力在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采后也表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但并不像2#和3#孔那么明顯，下降的幅度也不是很大，并且是在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采4 d后才呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，抽采11 d后才呈現(xiàn)出明顯的下降幅度。綜合數(shù)據(jù)考察，鉆孔壓力值連續(xù)下降幅度亦均大于10%，下降幅度最高達(dá)到51%，可知，4#觀測(cè)孔在有效抽采半徑影響范圍內(nèi)。

圖6 4#觀測(cè)孔壓力變化趨勢(shì)圖

經(jīng)觀測(cè)，5#觀測(cè)孔壓力變化曲線如圖7所示。對(duì)圖7進(jìn)行分析可知，5#壓力觀測(cè)孔的壓力在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采后也表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但并不像2#和3#孔那么明顯，與4#觀測(cè)孔情況相當(dāng)，下降的幅度也不是很大，并且是在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采7 d后才呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，抽采11 d后才呈現(xiàn)出明顯的下降幅度。綜合數(shù)據(jù)考察，鉆孔壓力值連續(xù)下降幅度亦均大于10%，下降幅度最高達(dá)到46%，可知，5#觀測(cè)孔亦在有效抽采半徑范圍內(nèi)。

圖7 5#觀測(cè)孔壓力變化趨勢(shì)圖

經(jīng)觀測(cè)，6#觀測(cè)孔壓力變化曲線如圖8所示。對(duì)圖8進(jìn)行分析可知，6#壓力觀測(cè)孔的壓力在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采后雖然也呈現(xiàn)有下降的趨勢(shì)，但幅度已經(jīng)很小，并且是在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采15 d后才出現(xiàn)的，但鉆孔壓力值也呈現(xiàn)出連續(xù)三次下降幅度大于10%的現(xiàn)象。說(shuō)明6#壓力觀測(cè)孔處于有效抽采半徑邊緣范圍內(nèi)。

圖8 6#觀測(cè)孔壓力變化趨勢(shì)圖

經(jīng)觀測(cè)，7#壓力觀測(cè)孔的壓力在進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采期間一直呈現(xiàn)趨勢(shì)穩(wěn)定的壓力值，預(yù)抽孔的聯(lián)網(wǎng)抽采與否對(duì)7#壓力觀測(cè)孔的壓力沒(méi)有造成任何影響。

綜合上述鉆孔壓力的變化規(guī)律，2#、3#、4#、5#和6#孔處在水力沖孔鉆孔沖孔效果的影響半徑范圍內(nèi)，7#孔處在有效抽采半徑影響范圍之外；6#壓力測(cè)試孔雖然處在有效抽采半徑之內(nèi)，但水力沖孔鉆孔的沖孔效果對(duì)其影響的程度已很小，可見(jiàn)，6#壓力孔是處在有效抽采半徑邊緣處。因此，大淑村礦在進(jìn)行水力沖孔每米煤段平均沖出煤量為1.20 t/m時(shí)，采用孔徑94 mm的抽采鉆孔進(jìn)行2#煤層瓦斯抽采，瓦斯抽采鉆孔抽采5 d時(shí)有效抽采半徑為6 m，抽采9 d時(shí)有效抽采半徑為7 m，抽采15 d及以上才逐漸達(dá)到極限有效抽采半徑為8 m。

3 水力沖孔增透技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大淑村礦石門(mén)揭煤工作面瓦斯抽放技術(shù)主要以預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施為主。為了更快揭開(kāi)2#煤層，使采掘接替正常，在石門(mén)揭煤前，須提前采用抽放鉆孔等工藝進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔最高達(dá)65個(gè)，鉆尺3 250 m，由于2#煤層透氣性較低，預(yù)抽時(shí)瓦斯流量小、且瓦斯?jié)舛鹊?，?5 d以上的抽放時(shí)間。揭煤時(shí)間長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)180 d。在三采區(qū)皮帶下山石門(mén)揭煤工作面預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔首次采用水力沖孔增透技術(shù)進(jìn)行揭煤。

根據(jù)對(duì)水力沖孔影響的考察結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)三采區(qū)皮帶下山石門(mén)水力沖孔鉆孔的布孔方式，從而可以減少鉆孔施工量，提高工作面瓦斯抽采效率。三采區(qū)皮帶下山石門(mén)巷道中線與其上覆的2#煤層法向距離是10 m，水力沖孔的有效抽采半徑取考察結(jié)果8 m。因此設(shè)計(jì)的水力沖孔剖面、平面如圖9、圖10所示。

圖9 三采區(qū)皮帶下山水力沖孔鉆孔剖面圖

圖10 三采區(qū)皮帶下山水力沖孔鉆孔平面圖

大淑村礦在三采區(qū)皮帶下山石門(mén)進(jìn)行施工打鉆作業(yè)，每8 m的距離進(jìn)行一次水力沖孔，所有水力沖孔沖出來(lái)的孔都是垂直向里的，每一組一共沖7個(gè)孔。每米沖孔煤量不低于1.2 t，鉆孔施工完畢后進(jìn)行注漿封孔，待水泥漿凝固后即可連接抽采管路進(jìn)行抽采。

4 結(jié)論

(1)采用水力沖孔增透技術(shù)后，僅用了15 d的時(shí)間將三采區(qū)皮帶下山揭煤區(qū)域瓦斯壓力由原來(lái)的0.8 MPa降到0.2 MPa，消突效果達(dá)到了規(guī)定的成效，揭煤期間避免了瓦斯超限事故和煤與瓦斯突出事故，實(shí)現(xiàn)了安全揭煤。

(2)采取水利沖孔后再進(jìn)行預(yù)抽，不僅可以減少石門(mén)揭煤防突工程量、縮短揭煤時(shí)間，而且與未采取任何增透技術(shù)措施的石門(mén)揭煤相比，該技術(shù)的應(yīng)用減少了1 625 m平均鉆孔進(jìn)尺，實(shí)現(xiàn)了50%的降幅。

(3)采取水利沖孔后再進(jìn)行預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間實(shí)現(xiàn)了80%的降幅，由原來(lái)的至少75 d下降為15 d，并且由于煤層裂隙的增加，使煤層透氣性得到提高，進(jìn)而縮短了瓦斯抽采時(shí)間。

(4)另外還可以加快鉆孔瓦斯涌出速度、提高瓦斯抽采效率、縮短石門(mén)揭煤周期。從而保障了石門(mén)揭煤時(shí)的安全性，可以將其廣泛應(yīng)用到其他石門(mén)揭煤工程中。