山西省夏店煤礦瓦斯抽采鉆孔水力造穴增透技術(shù)應(yīng)用

呂 毅，李忠群，劉小鵬

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦，山西長(zhǎng)治 046200)

0 引言

一直以來(lái)，礦井瓦斯災(zāi)害對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益造成了嚴(yán)重的威脅和影響。隨著煤炭資源開(kāi)采深度的增加，對(duì)瓦斯治理提出了更加嚴(yán)格的要求。瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的基本途徑，只有安全、合理、有效地進(jìn)行瓦斯抽采，才能保證礦井安全高效生產(chǎn)。引進(jìn)并應(yīng)用瓦斯治理新技術(shù)是推進(jìn)瓦斯抽采工作的基礎(chǔ)，是確保工作面在有限的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期抽放效果的依據(jù)。近年來(lái)，為解決夏店煤礦瓦斯抽采的問(wèn)題，進(jìn)行了大量的技術(shù)研究及實(shí)踐，例如水力壓裂、煤層注水等，雖然在瓦斯治理上取得了一定的成就，但仍沒(méi)有達(dá)到有效的效果。水力造穴增透技術(shù)具有造縫卸壓的雙重作用，造縫可以增大鉆孔內(nèi)煤體暴露面積，提高煤層瓦斯透氣性和瓦斯釋放效率，卸壓能夠降低煤體內(nèi)應(yīng)力集中程度，因此決定在夏店煤礦采、掘工作面應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采。

1 技術(shù)原理

水力造穴主要利用高壓水力射流，通過(guò)對(duì)煤層進(jìn)行擴(kuò)孔造穴，增加煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓，為瓦斯釋放和流動(dòng)創(chuàng)造良好的條件，洞穴周圍的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大煤層的透氣性。水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和煤體中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除突出的動(dòng)力，起到防突作用，又提高煤層透氣性和瓦斯釋放能力，提高鉆孔抽采量。

高壓水力射流技術(shù)原理(圖1)是利用高低壓轉(zhuǎn)換造穴裝置通過(guò)裝置內(nèi)部活塞的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)前端出水與噴頭出水。低壓水作用在活塞上，活塞不產(chǎn)生位移，水流通過(guò)該裝置從鉆頭前端流出，達(dá)到冷卻鉆頭和排渣的目的。高壓水作用在活塞上，活塞產(chǎn)生位移，前端通道被密封，水流在裝置內(nèi)部形成高壓，從射流噴頭處噴射。高壓水經(jīng)過(guò)射流噴頭后被再次加速，噴射出的高壓水流沖擊煤體，破壞煤層原有的狀態(tài)，使鉆孔周圍煤體脫落形成洞穴，煤層中儲(chǔ)存的瓦斯得以釋放并沿鉆孔排出，以達(dá)到提高瓦斯釋放效率的目的。

圖1 高壓水射流沖擊破碎煤體概念模型Figure 1 Conceptual model of high-pressure water jet coal mass impact breaking

2 技術(shù)應(yīng)用背景

夏店煤礦位于沁水向斜東翼，受區(qū)域構(gòu)造的控制，煤礦總體為走向NE，傾向W的單斜，在單斜上發(fā)育有小的褶曲，除在F11正斷層(西川正斷層)附近傾角較大(最大36°)、小構(gòu)造相對(duì)較發(fā)育外，井田廣大區(qū)域小構(gòu)造不發(fā)育，地層傾角為4°～14°，以往地質(zhì)勘查和生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)11條斷層和11個(gè)陷落柱。未發(fā)現(xiàn)有巖漿侵入現(xiàn)象。煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單。

2.1 礦井瓦斯賦存及抽采

夏店煤礦3#煤層瓦斯儲(chǔ)量為1 480.02Mm3，最大瓦斯含量為17 m3/t，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為71.62m3/min；單個(gè)掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為8.44m3/min，采區(qū)最大絕對(duì)瓦斯涌出量為114.74m3/min；礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為37.86m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為143.43m3/min，為高瓦斯礦井。

夏店煤礦在西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)一座瓦斯抽采泵站，瓦斯抽采泵站內(nèi)建設(shè)高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)各一套，共安設(shè)4臺(tái)2BEC87型水環(huán)式真空泵，高低負(fù)壓各2臺(tái)，一用一備。其中高負(fù)壓抽采系統(tǒng)管路采用直徑660mm螺旋焊接鋼管，低負(fù)壓系統(tǒng)抽采管路采用直徑630mm螺旋焊接鋼管。井下瓦斯治理采用采空區(qū)抽采、本煤層預(yù)抽、邊采邊抽、邊掘邊抽、鄰近層卸壓抽采等方法。

2.2 應(yīng)用的必要性

夏店煤礦屬于高瓦斯礦井，主采3#煤層，煤層透氣性系數(shù)0.524 0～1.741 5m2/(MPa2·d)，屬可以抽采煤層。礦井瓦斯治理措施以順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯為主，采用順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽時(shí)，鉆孔施工量大、抽采效率低，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)使用效果差。為提高鉆孔抽采流量，快速降低煤體瓦斯含量、增加煤層透氣性，在施工抽采鉆孔時(shí)應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)。

3 技術(shù)應(yīng)用情況

夏店煤礦于2018年6月至2019年8月在井下3119備用工作面及31采區(qū)探巷掘進(jìn)工作面應(yīng)用該技術(shù)施工瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。采用ZDY4500LXY煤礦履帶式液壓鉆機(jī)、高壓BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11礦用振動(dòng)篩式煤水分離器、配套鉆具及其他附屬裝置。現(xiàn)以3119備用工作面為例對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 煤層賦存情況

3119備用工作面原始瓦斯含量為9.5～11m3/t，瓦斯壓力0.85MPa。工作面煤層為山西組中下部3#煤層，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度為5.9m；頂板為泥巖，偽頂為灰質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)砂巖，底板為泥巖，老底為細(xì)砂巖。

3.2 方案設(shè)計(jì)

在3119備用工作面運(yùn)輸順槽向回采工作面方向施工水力造穴鉆孔(圖2)。鉆孔施工方式為本煤層，每10m施工1個(gè)水力造穴鉆孔，造穴鉆孔單孔深度150m，水力造穴采用后退式造穴方式，造穴在孔底處開(kāi)始，造穴直徑1m，造穴長(zhǎng)度1m，造穴間距8m，距孔口20m位置停止造穴，單孔造穴16個(gè)。

圖2 水力造穴鉆孔示意Figure 2 A schematic diagram of hydraulic cavitation drilling

3.3 完成情況

目前3119運(yùn)輸順槽水力造穴鉆孔已全部施工完成，共施工鉆孔92個(gè)，累計(jì)鉆孔施工進(jìn)尺13800m(圖3)。

圖3 3119運(yùn)輸順槽水力造穴鉆孔示意Figure 3 A schematic diagram of hydraulic cavitation drilling in haulage crossheading No.3199

3.4 抽采效果分析

1)模塊抽采情況對(duì)比。3119運(yùn)輸順槽抽采鉆孔水力造穴增透技術(shù)應(yīng)用結(jié)果表明(圖4)，水力造穴鉆孔施工后，周邊鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)提升明顯，平均體積分?jǐn)?shù)由6%提升至45%，單孔最高提升至90%。

2)通過(guò)對(duì)3119運(yùn)輸順槽單組模塊抽采鉆孔進(jìn)行抽采數(shù)據(jù)計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)，未造穴單組鉆孔抽采量為0.2m3/min，造穴后提升至1.3m3/min(圖5)。

3)3119運(yùn)輸順槽抽采鉆孔通過(guò)應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)后，順槽內(nèi)瓦斯抽采支管路體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%，萬(wàn)米鉆孔抽采量達(dá)到3.6m3/min， 較未進(jìn)行水力造穴鉆孔提高4倍，大大提高了抽采效率。受水力造穴鉆孔活化周邊鉆孔因素影響，水力造穴后抽采效率為之前的5.77倍，理論上可將抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短至原有的17%。

3.5 瓦斯參數(shù)W、K1值分析

3119備用工作面在應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)前實(shí)測(cè)瓦斯含量最大為8.5m3/t，K1值最大為0.52L/g·min1/2；在應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)預(yù)抽2個(gè)月后，實(shí)測(cè)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為6.2m3/t，K1值最大為0.31L/g·min1/2。使用該技術(shù)對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽后，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降2.3m3/t，K1值下降0.21L/g·min1/2。綜上可知，在3119備用工作面進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽時(shí)，采用水力造穴增透技術(shù)不僅能提高抽采率，還能有效增加煤層內(nèi)瓦斯解吸和排放的效率。

圖4 水力造穴鉆孔施工前后周邊鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化Figure 4 Peripheral boreholes gas volume fraction variation before and after hydraulic cavitation drilling

圖5 水力造穴鉆孔抽采區(qū)域抽采量對(duì)比Figure 5 Drainage volumes comparison of hydraulic cavitation borehole drainage areas

4 結(jié)語(yǔ)

夏店煤礦3#煤層透氣性差，常規(guī)的瓦斯抽采技術(shù)不能有效的抽排瓦斯，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)，并且影響巷道的快速掘進(jìn)，通過(guò)水力造穴增透技術(shù)在3119備用工作面和31采區(qū)探巷掘進(jìn)工作面實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)用過(guò)程中取得了很好的瓦斯抽采和防突效果，縮短了工作面預(yù)期抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，且掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度是采用常規(guī)鉆孔預(yù)抽后掘進(jìn)速度的1.5倍，說(shuō)明夏店煤礦應(yīng)用水力造穴增透技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采是治理瓦斯行之有效的措施，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了工作面安全生產(chǎn)，為今后瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。