掘進(jìn)巷瓦斯抽采與消突技術(shù)研究

張家輝

(山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司， 山西 太原 030006)

高壓水射流割縫技術(shù)也叫水力割縫技術(shù)，是利用高壓水流破壞煤層并割出一條或若干條煤層人工縫隙，降低煤層應(yīng)力狀態(tài)，提高裂縫影響區(qū)的煤層滲透率，提高瓦斯抽采速度和卸壓消突效果[1-2]. 鄒忠有[3]通過(guò)水力割縫的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，高壓水切割煤層后，比普通的鉆孔卸壓后，瓦斯抽采效率會(huì)提高97%以上。趙嵐[4]研究了在固流耦合作用下，水力割縫可以釋放低滲透煤層的部分有效體積應(yīng)力，使作用范圍內(nèi)煤層在割縫后發(fā)生垮落，從而導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，增加了煤體內(nèi)的裂縫和裂隙數(shù)量，長(zhǎng)度和張開(kāi)度也大大增加，增大了煤層內(nèi)裂縫、裂隙和孔隙的連通面積，從而增強(qiáng)了低滲透煤層的滲透性。李曉紅[5]研制了一套高壓脈沖水射流瓦斯抽采系統(tǒng)，并在重慶某高瓦斯低透氣性煤礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，高壓脈沖水射流有效提高了煤層透氣性，平均百米鉆孔煤層瓦斯抽采量較原工藝提高了718倍。

通過(guò)水力割縫后再進(jìn)行瓦斯抽采，煤層滲透性和瓦斯抽采范圍得到有效提高，對(duì)巷道形成很好的屏蔽作用，減小巷道兩側(cè)煤體中的瓦斯向巷道涌入，在掘進(jìn)工作面前方及斜前方一定范圍內(nèi)形成低瓦斯壓力區(qū)，有效提高了瓦斯抽采率[6].

1 掘進(jìn)工作面概況

根據(jù)多方聯(lián)系與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本次工業(yè)性試驗(yàn)選于燕竹公司3號(hào)煤31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，燕竹煤礦3號(hào)煤層為突出煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤。煤層傾角一般為1°～4°，平均2°，煤層厚度2.7～3.50 m，平均2.90 m，煤層結(jié)構(gòu)：0.40(0.02)2.50. 31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面沿3號(hào)煤層布置，巷道為矩形斷面，其尺寸為5.2 m×3.7 m.

2 水力割縫施工方案

2.1 水力割縫施工方案設(shè)計(jì)

來(lái)源于巷道兩側(cè)煤體的瓦斯涌出可能會(huì)造成掘進(jìn)過(guò)程中工作面瓦斯?jié)舛瘸?、噴孔，甚至瓦斯突出事故?？拷鼉蓚?cè)煤幫鉆孔采用垂直割縫進(jìn)行瓦斯抽采，距孔口20 m范圍內(nèi)不割縫，通過(guò)垂直割縫抽采瓦斯，增加了煤體滲透性，增大了抽采范圍，屏蔽了煤層內(nèi)瓦斯向掘進(jìn)巷道的涌入，能有效控制巷道側(cè)煤體中的瓦斯向巷道內(nèi)部的瓦斯涌出量，減少瓦斯事故的發(fā)生；中間鉆孔采用垂直割縫，中間鉆孔相鄰的兩側(cè)鉆孔采用水平割縫，距孔口20 m范圍內(nèi)皆不割縫，在水力割縫鉆孔抽采的情況下，煤層氣壓力分布均勻，掘進(jìn)工作面鉆孔處的煤層氣壓力最小，隨后壓力依次增大，距離掘進(jìn)工作面越遠(yuǎn)，壓力越大，煤層的邊沿壓力沒(méi)有發(fā)生變化。整個(gè)區(qū)域，煤層氣壓力的分布是均勻的，割縫后掘進(jìn)工作面及其周圍的瓦斯壓力減小很多[7-10].

2.2 水力割縫參數(shù)

水力割縫技術(shù)參數(shù)通過(guò)水力割縫中試試驗(yàn)確定。試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)備額定水壓(60 MPa)條件下，當(dāng)退桿速度為1.5 m/s時(shí)，模擬煤層單側(cè)水力割縫寬度為1 m，縫寬為50 mm，達(dá)到了較為理想的割縫效果。

2.3 割縫鉆孔布置及施工

根據(jù)燕竹煤礦31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面實(shí)際地質(zhì)情況、巷道斷面情況，本次試驗(yàn)計(jì)劃布置方式為：利用原1、原2、原3、原4、原5號(hào)鉆孔進(jìn)行水力割縫消突。鉆孔深度根據(jù)《掘進(jìn)施工作業(yè)規(guī)程》要求的循環(huán)掘進(jìn)距離確定，深度應(yīng)為60～120 m，孔徑均不小于90 mm. 各個(gè)鉆孔施工詳情及割縫記錄見(jiàn)圖1.

圖1 鉆孔布置方位圖

水力割縫施工于2017年3月15日—2017年3月22日進(jìn)行，割縫過(guò)程嚴(yán)格按照施工方案執(zhí)行，平均伸管深度為84 m，平均割縫深度為68.3 m，割縫速度均為1.5 m/s，割縫過(guò)程中存在相應(yīng)的排水排渣現(xiàn)象。補(bǔ)1和補(bǔ)3孔割縫過(guò)程中存在瓦斯噴孔現(xiàn)象，表明水力割縫施工有效的促進(jìn)了瓦斯的排放，降低了煤層的突出危險(xiǎn)性。具體割縫記錄見(jiàn)表1.

表1 割縫記錄表

3 水力割縫消突效果分析研究

3.1 水力割縫效果觀測(cè)

在水力割縫裝備額定工況下，燕竹煤礦31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面鉆孔割縫深度達(dá)到850 mm，割縫寬度達(dá)到43 mm，達(dá)到了良好的割縫效果。

3.2 防突效果觀測(cè)

掘進(jìn)頭水力割縫的實(shí)施，可以達(dá)到很好的預(yù)防與控制瓦斯突出的效果，其機(jī)理為：1) 由于掘進(jìn)煤體提前完全卸壓，從根本上消除了應(yīng)力集中引起的煤體失穩(wěn)突出。2) 割縫的過(guò)程相當(dāng)于煤體注水，使煤體沖擊傾向降低，失穩(wěn)度降低。3) 由于瓦斯超前大量預(yù)抽采，使煤體瓦斯含量和壓力大幅度降低，瓦斯內(nèi)能降低，根本上消除了瓦斯突出的動(dòng)力。因此，水力割縫具有很好的防突效果。

在燕竹煤礦31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面應(yīng)向前方煤體施工3個(gè)、d42 mm、孔深8～10 m的鉆孔，測(cè)定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)和鉆屑量。 其中一個(gè)鉆孔布置在掘進(jìn)巷道斷面中部，并平行于掘進(jìn)方向，其他兩個(gè)鉆孔布置在第一個(gè)鉆孔兩側(cè)1.5 m處。鉆孔每鉆進(jìn)1 m測(cè)定該1 m段的全部鉆屑量S，每鉆進(jìn)2 m至少測(cè)定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值。各煤層采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)臨界值。暫按表2的臨界值確定工作面的突出危險(xiǎn)性。

表2 參考臨界值表

鉆孔的鉆屑量S(kg/m)計(jì)算如下：

S=S1+S2+S3

式中：

S1—根據(jù)鉆孔直徑計(jì)算的鉆屑量，kg/m；

S2—由于瓦斯能量釋放造成的鉆屑量，kg/m；

S3—由于地壓能量釋放造成的鉆屑量，kg/m.

為了對(duì)掘進(jìn)工作面水力割縫消突效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，分別對(duì)原始掘進(jìn)工作面，普通鉆孔抽采掘進(jìn)工作面，以及水力割縫消突掘進(jìn)工作面進(jìn)行分別測(cè)定與對(duì)比分析。

掘進(jìn)工作面鉆孔施工前對(duì)31011回風(fēng)巷道原始掘進(jìn)頭煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 原始掘進(jìn)頭煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表

普通鉆孔施工完成后對(duì)31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 普通鉆孔施工后煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表

水力割縫消突施工后對(duì)31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5.

通過(guò)對(duì)比K1值與鉆屑量S可以看出，燕竹煤礦31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭K1值在0.4～0.6，平均值高達(dá)0.51，鉆屑量S在5.3～6.4，平均值高達(dá)5.78；具有顯著的突出危險(xiǎn)性。在普通鉆孔施工完成后燕竹煤礦31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭K1值在0.3～0.39，平均值為0.34，鉆屑量S在3～4.4，平均值為3.7；突出危險(xiǎn)性有所降低。經(jīng)過(guò)水力割縫試驗(yàn)后，31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭K1值降低至0.2～0.29，平均值僅有0.24，

表5 水力割縫施工后煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表

鉆屑量S降低至1.7～3.3，平均值僅有2.42，突出危險(xiǎn)性大幅降低。表明掘進(jìn)頭水力割縫的實(shí)施，可以有效降低煤層掘進(jìn)頭的突出危險(xiǎn)性，可以有效達(dá)到很好的煤層瓦斯突出與巷道快速掘進(jìn)的目的。

4 結(jié) 論

在燕竹煤礦31011回風(fēng)巷順利完成了5個(gè)循環(huán)，共計(jì)500 m的水力割縫工業(yè)性試驗(yàn)。達(dá)到增加煤層透氣性，有效實(shí)現(xiàn)煤層消突與巷道快速掘進(jìn)的目的。經(jīng)過(guò)水力割縫試驗(yàn)后，31011回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭K1值和鉆屑量S下降顯著，其中K1值比原始巷道和普通鉆孔抽放后分別降低52.9%和29.4%，鉆屑量S比原始巷道和普通鉆孔抽放后分別降低58.1%和34.6%，突出危險(xiǎn)性大幅降低。

對(duì)于低滲透煤層，由于難于抽放，煤層中殘余瓦斯量增大，這些殘余瓦斯在煤炭開(kāi)采過(guò)程中必須以風(fēng)排的形式排出礦井，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且大大地污染了環(huán)境。實(shí)施水力割縫后，煤層中更多的瓦斯被高濃度抽放，抽放的瓦斯可以利用，這樣，既增加了煤礦的收益，又大大地降低了煤礦的生產(chǎn)污染對(duì)環(huán)境的破壞，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。