水力沖孔造穴技術(shù)在煤層瓦斯抽放中的應用

武德峰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 概 述

山西新元煤炭有限責任公司31004輔助進風巷工作面位于井田十采區(qū)，設計長度為2810m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.2×3.2m，工作面回采煤層為3#石炭系煤層，平均厚度為2.67m，工作面采用綜合機械化掘進施工工藝，截至目前巷道已掘進720m。

由于新元礦屬于煤與瓦斯突出礦井，3#煤層相對瓦斯涌出量為20.01m3/t，絕對瓦斯涌出量為209.93m3/min；31004輔助進風巷在前期掘進期間為了降低煤層突出危險性，減少工作面瓦斯涌出量，對工作面迎頭施工瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽，但實際應用效果相對較差，煤層瓦斯預抽后在掘進時工作面平均瓦斯涌出量6.2m3/min，平均瓦斯?jié)舛仍?.7%，經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限斷電現(xiàn)象，不僅降低了施工巷道掘進效率，而且嚴重威脅著工作面安全施工。

2 傳統(tǒng)瓦斯抽放方法及問題分析

2.1 傳統(tǒng)瓦斯抽放方法

31004輔助進風巷開口掘進20m后開始對工作面施工瓦斯抽放鉆孔進行煤層瓦斯預抽，在距工作面頂板1.2m處布置一排抽放鉆孔，共計10個，鉆孔間距為0.5m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔深度為120m；鉆孔施工完后對鉆孔開口10m范圍內(nèi)采用聚氨酯進行封孔處理，并安裝瓦斯抽放管路進行瓦斯預抽；每組鉆孔施工后允許巷道掘進距離為90m，超前30m，每個鉆場瓦斯抽采時間不得低于10d。

2.2 問題分析

1）鉆孔抽放效果差：由于3#石炭系煤層發(fā)育不穩(wěn)定，煤層內(nèi)地應力大，鉆孔在施工期間經(jīng)常出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆孔成孔率僅為42%，同時3#煤層透氣性系 數(shù) 為 0.4611～1.0526m2/MPa2·d， 衰 減 系 數(shù)0.3194～0.7845 d-1，煤層瓦斯抽采難度大、效率低，通過對巷道前期鉆孔抽采率監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，煤層抽放效率僅為27%。

2）鉆孔封孔質(zhì)量不合格：采用水泥砂漿進行封孔，注漿壓力為1.0MPa，封孔長度為10m，由于受鉆機及鉆桿擾動破壞影響，鉆孔周圍煤體在徑向方向產(chǎn)生裂隙，最大裂隙延伸長度達2.0m，采用水泥砂巖進行封孔時無法對煤體裂隙進行有效封堵，而且通過對鉆孔瓦斯抽放濃度檢測發(fā)現(xiàn)，鉆孔在10-20m范圍瓦斯?jié)舛瘸山档挖厔?，單孔瓦斯抽放濃度僅為32.7%，封孔長度不能滿足瓦斯抽放要求。

3）鉆孔施工量大：傳統(tǒng)瓦斯抽放法個鉆場布置10個鉆孔，單孔長度為120m，允許掘進距離為90m，整條巷道共需布置20個鉆場，鉆孔總長度為36000m，鉆孔施工量大，而且每個鉆場抽放時間為10d，嚴重影響巷道掘進效率，前期施工巷道平均掘進量僅為3m/d。

3 水力沖孔造穴技術(shù)應用

為了提高抽放鉆孔瓦斯抽放率，減少鉆孔施工工程量，新元礦通風部決定對31004輔助進風巷采用水力沖孔造穴技術(shù)進行瓦斯預抽。

3.1 水力沖孔造穴原理

水力造穴技術(shù)是依靠高壓水的沖擊力，造成煤體破碎，形成孔洞；在排出大量煤渣的同時，釋放大量的瓦斯，鉆孔周圍煤體出現(xiàn)蠕變損傷、沿孔洞發(fā)生徑向移動，導致鉆孔影響范圍內(nèi)煤體應力降低，煤層孔隙張開、裂隙貫通，大幅度增高煤層透氣性，如圖1所示。

圖1 水力造穴增透瓦斯流動概念模型

3.2 水力造穴裝備

1）水力造穴一體化裝備：造穴鉆機選用河南鐵福來公司生產(chǎn)的ZDY4500LXY型煤礦用履帶式液壓鉆機，配套裝備有BQWL200/31.5型高壓清水泵站、Φ73mm三棱高壓密封鉆桿、Φ94mm鉆頭、送水裝置、耐高壓動密封旋轉(zhuǎn)接頭、打鉆三防裝置、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置以及新景公司自制的移動式排水倉。

2）瓦斯抽采裝備：采用安泰華封孔材料及PKJW-63型封孔器聯(lián)合進行封孔，封孔管采用Φ63mmPVC管；采用單孔放水器，每個鉆孔孔口安裝FC-2型自動放水裝置；支管路采用Φ250mm鐵管，接口采用標準法蘭連接，并安裝孔板及鄭州光力科技CGWZ-100（A）管道瓦斯氣體綜合參數(shù)測定儀；單孔采用Φ63mm高壓膠體管連接，并安設單孔抽采觀測導流裝置。

3.3 水力沖孔造穴施工工藝

1）通過技術(shù)研究31004輔助進風巷掘進工作面布置5個水力造穴鉆孔（1#-5#）,鉆孔布置在距頂板1.0m處，鉆孔直徑為45mm，造穴孔直徑為600mm，造穴長度為2.0m，如圖2所示。

圖2 341004輔助進風巷水力造穴造孔平、剖面示意圖

2）1#、5#鉆孔深度為50m，水平夾角為18°，鉆孔內(nèi)施工3個造穴孔，分別施工在15m、30m、45m處；2#、4#鉆孔深度為96m，水平夾角為9°，鉆孔內(nèi)施工4個造穴孔，分別施工在20m、40m、60m、80m處；5#鉆孔深度為120m，水平角度為0°，鉆孔內(nèi)施工 5個造穴孔，分別施工在 30m、50m、70m、90m、110m處；每個鉆場鉆孔控制巷道幫距為15m，巷道允許掘進距離為100m。

3）鉆孔造穴施工期間造穴水壓為18MPa，造穴時間為30min，造穴后及時清理鉆孔內(nèi)煤屑。

3.3 封孔工藝

為了提高鉆孔封孔質(zhì)量，新元礦通過實驗鉆孔鉆進煤屑量法確定鉆孔封孔深度，并采用囊袋式封孔工藝。

1）首先在工作面迎頭施工6個實驗鉆孔，通過對實驗鉆孔產(chǎn)生煤屑量觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆孔10m-16m范圍內(nèi)鉆孔煤屑成遞增趨勢，在15m-16m范圍內(nèi)煤屑量達到最大值，如圖3所示，由此可見掘進工作面煤體原始應力區(qū)至少在順槽鉆孔施工煤壁往里16m以外區(qū)域。所以最終確定封孔深度為18m，封孔長度為9-18m。

2）水力造穴鉆孔施工完后進行擴孔擴孔深度為18m，直徑為150mm，擴孔后及時清理鉆孔內(nèi)煤屑并安裝直徑為63mm，長度為3.0m的PVC封孔管，管與管之間采用絲扣連接，如圖4所示。

圖3 31004輔助進風巷工作面鉆孔鉆屑量與鉆孔深度變化關系示意圖

（1）在9m及16m處分別安裝PKJW-63型封孔器，待封孔器安裝后在其中間注射安泰華封孔材料，注漿壓力不得低于5MPa。

3）待鉆孔封孔5h后及時與瓦斯抽放管路對接，進行瓦斯預抽，每個鉆場瓦斯抽放時間為5d。

圖4 31004輔助進風巷工作面囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔示意圖

4 應用效果分析

新元礦31004輔助進風巷后期掘進期間采用水力沖孔造穴技術(shù)進行掘進煤層瓦斯預抽后，主要取得了一下顯著成效：

1）采用水力沖孔造穴技術(shù)后，造穴孔充分釋放了煤層中地應力，提高了煤體透氣系數(shù)，降低了鉆孔塌孔現(xiàn)象，使鉆孔成孔率提高至90%以上。

2）通過水力沖孔造穴技術(shù)應用三個月對效果檢測發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯抽放效率提高至67%以上，單孔抽采純量在0.238～1.145m3/min之間，平均0.74m3/min，單循環(huán)日抽采純量在378～1420m3之間，平均793m3。瓦斯抽采后煤層瓦斯含量可降低2～4m3/t。

3）采用囊袋式封孔工藝，有效提高鉆孔封孔質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)鉆孔封孔工藝效果差、漏氣量大，鉆孔抽采濃度低等技術(shù)難題，采用該技術(shù)封孔后對鉆孔抽放濃度發(fā)現(xiàn)，單孔抽采濃度提高至87%以上。

4）采用水力沖孔造穴技術(shù)時每個鉆場布置5個鉆孔，長度為400m，整條巷道需布置26個鉆場，鉆孔總長度為10200m，與傳統(tǒng)施工工藝相比，大大降低了鉆孔施工工程量，而且每個鉆場抽放時間縮短至5d，有效提高了巷道掘進效率，在后期掘進過程中平均掘進工程量達8.9m/d。

5 結(jié)束語

山西新元煤炭有限責任公司通過技術(shù)研究，對31004輔助進風巷掘進期間傳統(tǒng)瓦斯抽放方法存在問題進行合理分析，并提出水力沖孔造穴技術(shù)及囊袋式封孔工藝，實踐證明，采取有效的抽采方法及封孔工藝后，提高了煤層瓦斯抽放效率，及單孔瓦斯抽放濃度，保證了煤層增透效果，降低了突出危險性，同時有效提高了巷道掘進效率，取得了顯著成效。