沖孔卸壓抽采技術(shù)在突出煤層瓦斯治理中的應(yīng)用

關(guān)瑞斌

摘 要：為了提升突出煤層瓦斯治理效率，增加采面回采巷道掘進(jìn)速度，在9141底板瓦斯抽放巷內(nèi)施工水力卸壓鉆孔對(duì)突出煤層進(jìn)行增透，并對(duì)水力沖孔卸壓鉆孔布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效提升了煤層瓦斯抽采效果。結(jié)果表明，采用水力沖孔卸壓技術(shù)后，瓦斯鉆孔流量、濃度為普通穿層瓦斯抽采鉆孔流量的2倍以上，流量衰減系數(shù)為未沖孔卸壓瓦斯抽采鉆孔的52%;9141回風(fēng)巷在水力沖孔卸壓段月進(jìn)尺可達(dá)85 m，進(jìn)尺量較普通穿層鉆孔抽采段增加35 m。

關(guān)鍵詞：突出煤層;卸壓沖孔;瓦斯抽采;煤層透氣性

中圖分類號(hào)：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）19-0061-03

Abstract： In order to improve the gas control efficiency of outburst coal seam and increase the driving speed of mining roadway， hydraulic pressure relief boreholes were constructed in 9141 floor gas drainage roadway to increase the permeability of outburst coal seam， and the layout of hydraulic punching pressure relief boreholes was designed， which effectively improved the coal seam gas drainage effect. The results show that the flow and concentration of gas drilling hole are more than two times of that of ordinary through layer gas drainage hole， and the flow attenuation coefficient is 52% of that of non through layer gas drainage hole; the monthly footage of 9141 return air roadway in the pressure relief section of hydraulic punching hole can reach 85 m， and the footage is 35 m higher than that of ordinary through layer drilling hole.

Keywords： outburst coal seam;pressure relief punching;gas drainage;coal seam permeability

煤炭在可預(yù)見的一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)是我國的主要能源。隨著開采強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，我國突出礦井?dāng)?shù)量不斷增加，開采的突出煤層存在瓦斯治理難度大、煤層透氣性差等問題。因此，采用合適的煤層增透技術(shù)提升煤層透氣性對(duì)提升礦井安全生產(chǎn)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。水力沖孔卸壓是一種煤層增透技術(shù)，近年來在突出礦井中應(yīng)用較為廣泛[2-3]。本文以某礦開采的9號(hào)突出煤層瓦斯治理為工程背景，采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)來提升煤層透氣性，提高瓦斯治理效果，從而實(shí)現(xiàn)煤層消除目的，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果。

1 水力沖孔卸壓增透機(jī)理

水力沖孔卸壓增透是通過在煤體中注入高壓水破碎煤體，以使煤體出現(xiàn)一定程度膨脹變形，從而達(dá)到突出煤層卸壓、瓦斯能及彈性能釋放，增加煤層透氣性目的;高壓水作用到煤體上后煤體出現(xiàn)塑性變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的次生裂隙，增加瓦斯運(yùn)移通道[4-5]。煤體內(nèi)裂隙及濕度增加后，可以起到消除煤層瓦斯突出動(dòng)力、避免采掘活動(dòng)中出現(xiàn)煤與瓦斯突出的作用。在水力卸壓增透過程中，煤體內(nèi)應(yīng)力重新分布以及產(chǎn)生的新裂隙會(huì)打破原有的瓦斯吸附-解析平衡，更多的吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯，游離瓦斯通過縫隙、瓦斯抽采鉆孔排出，大幅降低煤巖體內(nèi)的瓦斯膨脹能及彈性潛能，增加煤體透氣性[6]。

2 水力沖孔卸壓增透設(shè)備

煤礦井下采用的水力沖孔卸壓增透設(shè)備包括高壓密封鉆桿、噴嘴、鉆沖一體化鉆頭、防瓦斯超限設(shè)備、液壓鉆機(jī)等。其中，噴嘴是在鉆孔內(nèi)形成高壓射流水的關(guān)鍵設(shè)備，主要用以對(duì)煤體進(jìn)行破碎、切割及清洗;鉆沖一體化鉆頭是煤層水力沖孔卸壓中的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括沖孔短節(jié)、PDC鉆頭，依據(jù)高壓水差異實(shí)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)、煤層沖孔轉(zhuǎn)換，顯著提升水力沖孔設(shè)備的作業(yè)效率[7];采用的高壓密封鉆桿可以承受30 MPa壓力。水力沖孔卸壓增透設(shè)備具體的設(shè)備構(gòu)成見圖1。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

3.1 工程背景

某礦9141開采9號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采面總體位于背斜構(gòu)造上覆，回風(fēng)巷平行鄰近的DF92（H=10～36 m，186°∠56°）斷層與距斷層平距在40 m。由于受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層傾角平均為21°，煤厚平均為6.9 m，煤層原始瓦斯含量為11.92 m3/t、瓦斯壓力為1.05 MPa，煤層透氣性較差，屬于突出煤層。在采取水力沖孔卸壓技術(shù)前，礦井原采用的瓦斯治理措施是通過在底板瓦斯抽采巷中施工穿層鉆孔進(jìn)行區(qū)域消突，但抽采3個(gè)月后煤層瓦斯含量仍達(dá)到8.13 m3/t、瓦斯壓力為0.58 MPa，未完全消除煤層瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

3.2 沖孔卸壓鉆孔設(shè)計(jì)

在9141底板瓦斯抽放巷內(nèi)布置水力沖孔卸壓鉆孔，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等要求，布置的鉆孔應(yīng)控制在9141回采巷道掘進(jìn)輪廓線上、下幫各15 m的范圍。經(jīng)過前期試驗(yàn)，礦井穿層有效抽采半徑為2.5 m，因此在9141底板瓦斯抽放巷每隔4.8 m布置一組穿層瓦斯抽放鉆孔抽采瓦斯。由于受到臨近的DF92（H=10～36 m，186°∠56°）斷層影響，煤層瓦斯含量高且抽采困難，因此在兩組穿層鉆孔間布置一組水力卸壓鉆孔，具體鉆孔布置如圖2所示。卸壓鉆孔孔間距為400 mm，傾角為33°～60°，孔深在43～85 m，鉆進(jìn)穿越煤層頂板0.5 m以上。

前期測(cè)試得到的水力卸壓鉆孔影響半徑為6.8 m，因此每隔6.8 m布置一組水力卸壓鉆孔，最終實(shí)現(xiàn)水力卸壓鉆孔終孔為6.8 m，在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置5個(gè)水力卸壓鉆孔。為了強(qiáng)化瓦斯抽采效果，在9141采面回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)將水力卸壓鉆孔間距縮短至3.8 m。

3.3 沖孔工藝

采用114 mm鉆頭施工卸壓鉆孔，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方位角、傾角及開孔位置鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中應(yīng)詳細(xì)記錄排渣情況，并準(zhǔn)確判定鉆進(jìn)的煤層位置。鉆孔沖孔之前，要在孔口安裝防噴裝置，并將噴嘴送至指定沖孔位置，沖孔壓力設(shè)定為18 MPa，沖孔從孔底向孔口方向進(jìn)行。沖孔完畢后立即進(jìn)行封孔，封孔效果直接影響后續(xù)瓦斯抽采效果。采用兩堵一注方式進(jìn)行封孔，具體為在鉆孔封孔段兩端各采用0.5 kg聚氨酯進(jìn)行封堵，在中間充填膨脹水泥，具體封孔結(jié)構(gòu)見圖3。

當(dāng)施工的穿層鉆孔長(zhǎng)度在15 m以內(nèi)時(shí)對(duì)全巖段進(jìn)行封孔，當(dāng)鉆孔長(zhǎng)度在15 m以上時(shí)，封孔長(zhǎng)度為12 m。封孔完畢后采用10 cm軟管與井下布置的瓦斯抽采管連接，待膨脹水泥凝固后（24 h）開始接抽瓦斯。

3.4 沖孔卸壓效果分析

在9141采面底抽巷內(nèi)水力沖孔卸壓段記錄瓦斯抽采效果，并選取有代表性的5個(gè)瓦斯抽采鉆孔與未進(jìn)行水力沖孔的瓦斯抽采鉆孔（7號(hào)）進(jìn)行比對(duì)分析，具體瓦斯抽采鉆孔流量、濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，對(duì)煤層進(jìn)行水力沖孔卸壓后，瓦斯抽采鉆孔最大流量可達(dá)0.073 m3/min，顯著高于未沖孔的7號(hào)瓦斯抽采鉆孔流量（0.036 m3/min）。隨著瓦斯抽采鉆孔接抽時(shí)間的增加，鉆孔瓦斯抽采流量逐漸衰減。接抽30 d后實(shí)施水力沖孔卸壓的瓦斯抽采鉆孔平均流量為0.038 m3/min、衰減系數(shù)為0.0613 d-1;而未進(jìn)行沖孔卸壓的7號(hào)瓦斯抽采鉆孔流量衰減至0.008 m3/min、衰減系數(shù)為0.0347 d-1。可見，水力沖孔卸壓后的瓦斯抽采鉆孔平均流量是未進(jìn)行水力沖孔卸壓瓦斯抽采鉆孔的4倍以上，流量衰減系數(shù)為未沖孔卸壓瓦斯抽采鉆孔的52%。

從圖4（b）可以看出，水力卸壓沖孔后鉆孔瓦斯抽采濃度約為未水力沖孔卸壓的瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采濃度的200%，通過水力卸壓，沖孔瓦斯抽采鉆孔周邊裂隙發(fā)育，瓦斯涌出量增加，瓦斯抽采濃度顯著提升。

在突出煤層中采用水力沖孔卸壓技術(shù)可以增加瓦斯抽采鉆孔周邊煤體的裂隙，更多吸附的瓦斯轉(zhuǎn)換成游離瓦斯并通過相互貫通的裂隙被抽采出，實(shí)現(xiàn)提高煤層透氣性、消除煤層突出危險(xiǎn)性的目的。在9141回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，對(duì)采用水力沖孔卸壓段煤層瓦斯殘余含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得的煤層瓦斯含量最大為4.53 m3/t。

4 結(jié)論

第一，水力沖孔卸壓技術(shù)操作簡(jiǎn)單，可以增加煤體內(nèi)裂隙以及煤體潤濕程度，增加鉆孔周邊煤體卸壓范圍，提高瓦斯抽采半徑，采用水力沖孔卸壓后的瓦斯鉆孔流量、濃度為普通穿層瓦斯抽采鉆孔流量的2倍以上，流量衰減系數(shù)為未沖孔卸壓瓦斯抽采鉆孔的52%。

第二，采用水力沖孔卸壓后，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短至1個(gè)月以內(nèi)，顯著縮短突出煤層瓦斯治理時(shí)間，同時(shí)9141回風(fēng)巷沖孔段月掘進(jìn)進(jìn)尺為85 m，進(jìn)尺量較普通穿層鉆孔抽采段增加35 m。

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