水力造穴增透預抽在掘進面區(qū)域防突中的應用試驗

張 倩，栗 磊

(1.潞安職業(yè)技術(shù)學院，山西 長治 046204；2.潞安集團瓦斯研究院，山西 長治 046204)

山西潞安集團和順一緣煤業(yè)有限責任公司位于和順縣義興鎮(zhèn)鳳臺村，礦井井田面積5.6647km2，批準開采3#、8#、15#煤層，平均埋藏深度410m，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力180萬t/a，為突出礦井。目前礦井主采15#煤層煤種為貧煤，平均厚度4.87m，為煤與瓦斯突出煤層。礦井采用斜井開拓方式，主斜井擔負礦井主提煤和進風任務，副斜井擔負礦井輔助提升、進風、行人任務；軌道運輸斜井擔負礦井輔助提升、進風任務，回風立井擔負礦井回風任務。礦井采用走向長壁綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。根據(jù)該礦委托沈陽煤科院測定編制的《一緣煤業(yè)基礎參數(shù)測定報告》，15#煤層的瓦斯基礎參數(shù)如下：孔隙率平均值為4.84%，煤層瓦斯含量最大值為16.11m3/t，瓦斯放散初速度△P最大為19，煤層堅固性系數(shù)f值最小為0.16，煤層相對瓦斯壓力最大為1.25MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.047d-1。

該礦原掘進工作面采用“迎頭預抽+邊掘邊抽”的措施進行瓦斯治理，區(qū)域防突措施為掘進工作面迎頭施工15個預抽鉆孔，孔深120m，孔徑94mm；兩側(cè)施工邁步鉆場，鉆場間距同側(cè)80m，異側(cè)40m，每個鉆場6個鉆孔控制巷道側(cè)方15m范圍，鉆場內(nèi)鉆孔深度100m，孔徑94mm；掘進時采取局部防突措施，施工32個排放孔，孔深13m，孔徑76mm，排放半個班至一個班，局部防突措施效果檢驗指標合格掘進8m，留5m的超前距離。由于目前開采的15#煤層瓦斯含量高，抽采鉆孔工程量較大，抽采效率低，抽采達標時間長，巷道掘進慢，礦井采掘銜接失調(diào)。因此，為保證掘進工作面安全、快速掘進，決定在該礦150112工作面回風巷試驗水力造穴卸壓增透條帶預抽區(qū)域防突措施，以期提高煤層滲透性，提升抽采效果，縮短抽采達標時間，提高掘進速度，消除煤層掘進過程中的突出危險性，實現(xiàn)突出煤層的安全快速掘進[1-3]。

水力造穴是鉆機打鉆后利用高壓水射流在鉆孔預設深度進行沖刷、切割、剝蝕，并將破碎的煤體沖出孔外；改變煤層應力狀態(tài)，增加煤層透氣性，促使煤層瓦斯快速解吸釋放的過程[4-8]。本次造穴試驗采用沖孔造穴一體化裝備，裝備主要由ZDY4500LXY煤礦用履帶式液壓鉆機、高壓清水泵站、高壓密封鉆桿、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)換裝置組成。

1 回風巷掘進工作面概況

一緣煤業(yè)150112工作面回風巷地面為山地和丘陵。工作面四鄰關系：北為材料巷，南為未采區(qū)，東為已采150107工作面，西為井田邊界。

工作面圍巖巖性、強度：根據(jù)北京煤科院地質(zhì)力學測試結(jié)果，頂板0～1.6m為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，局部有離層，少量橫向裂隙。1.6～10.4m為泥質(zhì)砂巖，深灰色，少量離層，巖層較完整。10.4～18.4m為中粗砂巖，灰白色，大量離層，橫向裂隙發(fā)育，巖層較破碎。18.4～19.3m為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，縱向裂隙發(fā)育，巖層較破碎。19.3～25m為中粗砂巖，灰白～深灰色，裂隙發(fā)育，局部有離層，22.9m處有巖層破碎，有出水點。頂板砂巖強度主要集中在35～55MPa之間；煤體強度大部分集中在5～15MPa之間，煤層內(nèi)有裂隙，破碎嚴重，煤層直接底板巖性為砂質(zhì)泥巖。

地質(zhì)構(gòu)造：工作面范圍內(nèi)預計無大型構(gòu)造，存在局部小褶曲。工作面坡度平緩，整體呈東高西低趨勢。

地應力：根據(jù)地應力測量結(jié)果，最大水平應力最大為16.02MPa，最小為11.81MPa；最小水平主應力最大為8.13MPa，最小為6.65MPa；垂直主應力最大為11.48MPa，最小為7.63MPa。

150112工作面基本參數(shù)：工作面設計可采長度402m，工作面切眼長度185m。150112工作面共布置3條巷道，即150112工作面運輸巷、150112工作面回風巷，150112工作面高抽巷。工作面為一進一回的“U+高抽巷”型布置方式，工作面采用后退式開采。150112回風巷設計長度897m，斷面5m×3.2m，巷道沿頂板掘進，預測原始瓦斯含量12～14m3/t，工作面配風650m3/min。目前工作面頂板往下0.5m范圍內(nèi)為軟煤層，煤體破壞類型Ⅳ-Ⅴ類，目前實測硬煤層瓦斯含量7.4m3/t，軟煤層瓦斯含量12～14m3/t。

2 水力造穴增透預抽區(qū)域防突措施試驗方案

150112回風巷區(qū)域防突措施采用巷道迎頭打設本煤層順層鉆孔5個并進行水力造穴，并在左右兩幫邁步鉆場各施工長距離預抽鉆孔6個，鉆孔布置如圖1所示，造穴鉆孔施工參數(shù)見表1，兩幫鉆場施工參數(shù)見表2、表3。

造穴參數(shù)：1#、5#在孔深20m時開始沖孔造穴；2#、4#在孔深24m時開始沖孔造穴；3#在孔深22m時開始沖孔造穴；1#、2#、3#、4#、5#均為每8m造穴一個，每個鉆孔造穴10個，總計造穴50個。本次試驗水力造穴采用前進式造穴工藝，即造穴距離掘進工作面迎頭越來越遠。

圖1 水力造穴增透預抽區(qū)域防突措施鉆孔布置圖(m)

表1 造穴鉆孔施工參數(shù)

表2 左幫鉆場鉆孔施工參數(shù)

表3 右?guī)豌@場鉆孔施工參數(shù)

造穴鉆孔封孔工藝：鉆孔施工完畢后必須清除鉆孔內(nèi)的殘存煤、巖粉，特別是鉆孔距孔口10m范圍內(nèi)要沖洗干凈，然后下篩管并進行封孔，采取“兩堵一注”封孔工藝，封孔管總長度不得小于17m，封孔段長度不得小于8m，確保鉆孔封密嚴實，封孔后要立即進行連接帶抽，嚴格做到“打一、封一、連一、抽一”的規(guī)定。

3 水力造穴試驗效果分析

本次試驗從8月5日開始施工到8月17日施工結(jié)束，在150112回風巷端頭打設水力造穴鉆孔5個，共施工造穴鉆孔600m，實際造穴52個，總出渣量150t；邁步鉆場邊掘邊抽鉆孔從8月17日開始施工到8月23日施工結(jié)束，左、右鉆場各施工6個鉆孔，共1147m。造穴規(guī)格為1m×Φ0.8m的圓柱體，造穴水壓為16～18MPa。

造穴鉆孔與普通鉆孔日均抽采量變化：選取造穴試驗區(qū)巷道兩側(cè)邁步鉆場中與造穴鉆孔長度相當?shù)?#、10#、13#、14#4個鉆孔作為對比鉆孔，根據(jù)各孔并網(wǎng)后12d的標況日平均抽采量統(tǒng)計，未進行水力造穴的邁步鉆場鉆孔標況日平均抽采量為62m3，造穴鉆孔的標況日平均抽采量為316m3，提高近5倍。

瓦斯含量變化：本次造穴自8月15日開始進行抽采，截至8月31日共計抽采瓦斯總量為89693.32m3，理論計算本試驗區(qū)域殘余瓦斯含量為7.46m3/t，實測殘余瓦斯含量為7.6512m3/t，單元抽采達標。鉆屑瓦斯解吸指標K1值變化，造穴前實測K1值最大值為0.30，造穴后的最大值為0.28。

煤層破壞類型發(fā)生變化：現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，完成造穴并抽采一段時間后，造穴區(qū)域的軟分層相對未造穴區(qū)域明顯變硬，粉煤減少，煤層含水量升高。

瓦斯動力現(xiàn)象變化：在造穴抽采后的區(qū)域進行掘進，瓦斯動力次數(shù)大幅減少。在未進行造穴的區(qū)域以前掘進過程中，經(jīng)常會伴隨有響煤炮同時瓦斯明顯升高的現(xiàn)象，從2017年8月31日開始掘進至2017年9月17日已掘進85m，未發(fā)生過類似現(xiàn)象。

瓦斯涌出變化：水力造穴后，掘進過程中巷道瓦斯?jié)舛却蠓档停径沤^了瓦斯預警現(xiàn)象。水力造穴前日掘進進尺最多可掘進4m，且每排割煤時間必須保證1h以上才能保證不出現(xiàn)瓦斯預警。造穴后單班最大進尺可達到4m，單排掘進時間縮短20～30min，掘進效率大幅提高。水力造穴前工作面回風流瓦斯?jié)舛冉?jīng)常在0.7%以上，造穴后平均濃度為0.4%左右。

水力造穴間接完成了煤層注水工作，掘進過程中產(chǎn)塵量大幅減少。

4 注意事項

水力造穴過程是利用高壓水射流破碎煤巖體，在一定時間內(nèi)沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，在造穴過程中會對煤層結(jié)構(gòu)及頂、底板產(chǎn)生一定的破壞[9-12]。本次試驗從2017年8月31日開始掘進至2017年9月17日已掘進85m，掘進期間現(xiàn)場工作面情況，煤體含水量大，掘進機割煤后，上部偽頂極易掉落，頂板有掉渣現(xiàn)象，造穴后巷道兩幫部分區(qū)域會出現(xiàn)深度為0.3～1.5m的孔洞，使得巷道成形較差，在巷道掘進期間需加強頂板及巷道兩幫的支護管理，且水力造穴技術(shù)不適用于造穴影響范圍內(nèi)巷道頂、底板有遇水后變軟巖層的礦井。

5 結(jié) 論

在突出礦井山西潞安集團和順一緣煤業(yè)的150112回風巷掘進工作面試驗了水力造穴增透順層條帶預抽區(qū)域防突措施，本次試驗采用前進式造穴工藝，在掘進工作面迎頭打了5個長度120m的造穴鉆孔，共施工造穴鉆孔600m，實際造穴52個，造穴規(guī)格為長1m×Φ0.8m的圓柱體，造穴水壓為16～18MPa，總出渣量150t。通過與未造穴區(qū)域進行對比發(fā)現(xiàn)：未進行水力造穴的邁步鉆場鉆孔標況日平均抽采量為62m3，造穴鉆孔的標況日平均抽采量為316m3，提高近5倍，鉆屑瓦斯解吸指標K1值由造穴前的最大為0.30，小幅降低到造穴后的最大為0.28；完成造穴并抽采一段時間后，造穴區(qū)域的軟分層相對未造穴區(qū)域煤質(zhì)明顯變硬，粉煤減少，煤層含水量升高。在造穴抽采后的區(qū)域進行掘進時，瓦斯動力次數(shù)大幅減少；造穴后，掘進過程中巷道回風流瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.7%左右降低到0.4%左右；掘進過程中產(chǎn)塵量大幅減少；造穴后掘進工作面單班最大進尺可達到4m，單排掘進時間縮短20～30min，掘進效率大幅提高。綜上所述，通過本次試驗得出水力造穴技術(shù)應用于高瓦斯、突出煤層掘進工作面卸壓增透順層條帶預抽區(qū)域防突中效果明顯，但由于水力造穴過程會對煤層結(jié)構(gòu)及頂、底板產(chǎn)生一定的破壞，所以在巷道掘進期間需加強頂板及巷道兩幫的支護管理，且水力造穴技術(shù)不適用于造穴影響范圍內(nèi)巷道頂、底板有遇水后變軟巖層的礦井。