順層鉆孔鉆沖一體化卸壓增透強化抽采技術應用

路 璐

(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

松軟煤層在陽泉礦區(qū)開采煤層中占比大，而松軟煤層煤質松軟，強度低，滲透性差，瓦斯壓力和瓦斯含量往往很高，鉆孔抽采是瓦斯治理的有效方法，但松軟低透氣性突出煤層抽采鉆孔施工困難制約了瓦斯抽采。因此，提出了鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術。

1 工作面概況

陽泉煤業(yè)新景礦3#煤層掘進工作面順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術在3215工作面的北九正巷、3216工作面的南九正巷和副巷、3107工作面的南五正巷和副巷進行試驗，試驗地點見圖1. 這3個回采工作面的煤層堅固性系數(shù)均在0.38～0.52，煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，有較大的突出危險性。同時，煤層透氣性系數(shù)為0.018 8～0.137 7 m2/MPa2·d，瓦斯抽采十分困難，嚴重制約了巷道的掘進和礦井的安全回采。

圖1 水力沖孔造穴技術試驗地點圖

2 鉆沖一體化水力造穴工藝及方案設計

2.1 高壓水射流沖孔造穴原理

水射流的沖擊壓力作用由初始階段的水錘壓力降低到穩(wěn)定階段的滯止壓力，當水射流作用力小于抗壓強度后，煤巖體破碎速度降低，水射流流體逐漸深入到煤巖體裂隙系統(tǒng)中，并沿裂隙向深處傳播[1]. 在裂紋尖端和表面附近微裂紋產(chǎn)生應力集中，使其裂隙張開、擴展和延伸，形成一個相互交織的裂隙連通網(wǎng)絡，煤體分割造成煤巖體強度降低[2]. 水分浸潤對煤巖體強度具有軟化作用，導致煤巖體顆粒脫落分離，在煤體中形成孔洞[3]. 水力沖孔造穴對煤體造成的損傷和應力集中會在孔洞處產(chǎn)生卸壓區(qū)，使得該處滲透率得到大幅提高，從而提高卸壓增透效果，實現(xiàn)預抽瓦斯和消突的目的[4].

2.2 水力造穴工藝

鉆沖一體化水力造穴技術的施工流程主要包括：

1) 順層鉆孔的施工。在巷道掘進之前，首先打開鉆沖兩用噴頭中的鉆進噴頭，利用低壓水進行鉆孔的鉆進，見圖2a).

2) 后退式水力沖孔造穴。在順層鉆孔施工到設計深度之后，打開兩用鉆頭上的造穴噴頭，利用高壓水射流進行后退式水力沖孔造穴。開始造穴時，將水泵壓力調節(jié)到18 MPa，鉆機保持低速旋轉，緩慢前后推拉1 m范圍為1個造穴位置，造穴30 min. 造穴結束后，將水泵壓力調至4 MPa以下，再打鉆至下一擴孔位置進行第二次造穴，以此實現(xiàn)循環(huán)造穴，造穴間距5 m. 見圖2b).

3) 封孔及卸壓瓦斯抽采。在造穴結束后，采用“兩堵一注”的方法對鉆孔進行封孔，并對煤層瓦斯進行抽采，見圖2c).

圖2 水力沖孔造穴瓦斯抽采工藝示意圖

2.3 施工方案設計

掘進工作面順層鉆孔具有發(fā)散特性：隨著鉆孔的延伸，鉆孔間距逐漸增大。因此，掘進工作面采用順層鉆孔進行瓦斯抽采時，為了保證掘進頭前方煤體的順利消突，往往采用降低掘進循環(huán)長度，提高鉆孔布置密度等措施。這也造成掘進工作面瓦斯治理成本高，巷道掘進速度慢等問題[5]. 鑒于此，在掘進工作面順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術的施工過程中，充分考慮了鉆孔發(fā)散特性對瓦斯抽采所造成的影響，根據(jù)鉆孔間距的不同將掘進工作面的瓦斯抽采范圍劃分為3個不同的區(qū)域，見圖3. 在不同的區(qū)域內，設計不同的造穴間距，實現(xiàn)掘進工作面的瓦斯安全高效抽采。

圖3 掘進工作面順層鉆孔分區(qū)示意圖

1) Ⅰ區(qū)域。

位于抽采范圍前方60～80 m，該區(qū)域鉆孔間距最大，瓦斯抽采難度也最大，因此在該區(qū)域瓦斯抽采過程中選用最大的鉆孔半徑。由鉆孔周圍煤體的瓦斯流動特征可知：隨著鉆孔半徑的增加，鉆孔的瓦斯抽采半徑逐漸增大[6]. 但是考慮到現(xiàn)場的施工情況，鉆孔半徑過大將會對巷道掘進造成影響。因此，在新景礦的實際施工過程中，Ⅰ區(qū)域采用的鉆孔半徑為0.4 m.

2) Ⅱ區(qū)域。

位于巷道前方40～60 m，該區(qū)域鉆孔間距適中。安全起見，該區(qū)域鉆孔半徑按照掘進工作面前方60 m處的鉆孔法向間距進行設計。

3) Ⅲ區(qū)域。

位于巷道前方20～40 m，該區(qū)域鉆孔間距最小。該區(qū)域的鉆孔半徑采用40 m處的鉆孔間距進行設計。

造穴出煤量是保證沖孔造穴質量的關鍵，也是提高煤體卸壓增透效果的重要前提。因此，對3個區(qū)域出煤量提出了設計要求，見表1.

表1 造穴區(qū)域參數(shù)設計表

3 瓦斯抽采及卸壓增透效果考察

3.1 瓦斯抽采效果對比

1) 瓦斯抽采濃度和抽采純量對比。

在南五掘進工作面順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯抽采和北九掘進工作面第四循環(huán)順層鉆孔水力沖孔造穴瓦斯抽采技術的施工過程中，對每個掘進工作面的瓦斯抽采數(shù)據(jù)均進行了監(jiān)測，兩個掘進工作面的瓦斯抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測結果見圖4.

圖4 水力造穴瓦斯抽采與普通鉆孔對比情況圖

在南五掘進工作面預抽煤巷條帶瓦斯抽采過程中，雖然鉆孔數(shù)目大于北九水力沖孔造穴瓦斯抽采工作面的鉆孔數(shù)目，但瓦斯抽采流量和濃度遠低于水力沖孔造穴瓦斯抽采工作面。該工作面的瓦斯抽采平均瓦斯抽采濃度約為3%左右，但水力沖孔造穴工作面的瓦斯抽采濃度可達30%以上，提高10倍；在瓦斯抽采純量方面，預抽條帶瓦斯掘進工作面的瓦斯抽采純量約為0.15 m3/min，水力沖孔造穴掘進工作面的瓦斯抽采純量可達1.0 m3/min, 約提高6倍。

2) 瓦斯抽采總量及瓦斯抽采率。

北九掘進工作面和南五掘進工作面的原始瓦斯含量均約為17 m3/t，但是南五掘進工作面經(jīng)過45 d的瓦斯抽采，共抽出瓦斯約1.8萬m3，瓦斯抽采率約20%；北九掘進工作面經(jīng)過20 d(打鉆過程10 d，單孔打鉆完成后即對該孔進行抽采)的瓦斯抽采，共抽出瓦斯約4.9萬m3(含造穴過程中風排1.1萬m3瓦斯)，瓦斯抽采率達到39%，與原來相比提高約2倍。

3.2 殘余瓦斯含量及鉆屑解吸指標對比

1) 殘余瓦斯含量。

在南五正巷采用順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯抽采技術后，南五正巷實測殘余瓦斯含量最大值為13.04 m3/t，證明該循環(huán)瓦斯抽采效果較差。相反，北九正巷第四循環(huán)經(jīng)過20 d(含鉆孔施工過程10 d)的瓦斯抽采后，實測的殘余瓦斯含量最大值為10.78 m3/t，均小于11.0 m3/t(殘余瓦斯含量臨界值)，說明該循環(huán)瓦斯抽采已經(jīng)達標。上述兩個循環(huán)的殘余瓦斯含量測定結果表明，采用順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術后，新景礦3#煤層的瓦斯抽采效果明顯改善。

2) 鉆屑瓦斯解吸指標和鉆屑量指標。

在南五掘進工作面順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯抽采過程中，隨著巷道的掘進，實測的鉆屑瓦斯解吸指標逐漸增大，這是由于掘進工作面鉆孔的發(fā)散特性所導致的。沿著巷道的掘進方向，鉆孔的間距逐漸增大，瓦斯抽采越來越困難，因此巷道掘進過程中鉆屑瓦斯解吸指標逐漸增大。在巷道掘進至30 m之后，鉆屑瓦斯解吸指標開始超標，此時需要補充局部防突措施。

在北九正巷掘進工作面采用順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采結束后，由于每個區(qū)域的出煤量均是相同的，因此巷道在每個區(qū)域的掘進過程中鉆屑瓦斯解吸指標均降低到臨界值以下，可以保證整個巷道的施工安全。掘進過程中實測的鉆屑瓦斯解吸指標數(shù)據(jù)見圖5.

圖5 鉆屑瓦斯解吸指標對比分析圖

4 結 論

1) 結合陽煤新景礦工程實況，對掘進工作面的鉆沖一體化水力造穴技術施工工藝流程進行完善，根據(jù)鉆孔發(fā)散特性將掘進工作面的瓦斯抽采范圍劃分為3個不同的區(qū)域，設計制定了水力造穴施工方案。

2) 新方案的瓦斯抽采循環(huán)長度由原來的60 m提高到80 m，瓦斯抽采鉆孔個數(shù)由原來的49個降低為20個，巷道掘進的月進度由原來的20 m提高到60 m，施工效率得到極大提高。

3) 采用水力造穴技術后，瓦斯抽采濃度由原來的3%提高到30%，瓦斯抽采純量由0.15 m3/min提高到1.0 m3/min，瓦斯抽采率由20%提高到39%，掘進過程中鉆屑瓦斯解吸指標始終在臨界值以下，瓦斯抽采及卸壓增透效果得到改善，保障了突出煤層巷道的安全掘進。