水力沖孔在突出礦井的應(yīng)用研究

黃友金 趙鵬濤 覃佐亞

（湖南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410004）

1 前言

坦家沖煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/a，核定生產(chǎn)能力15萬t/a，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井所采6煤層為突出煤層，煤層走向大致南北，平均傾角25°，傾向東，平均煤厚5.49m，結(jié)構(gòu)簡單。6煤層瓦斯基本參數(shù)：煤層瓦斯含量18.38m3/t，煤層瓦斯壓力1.62MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.002242～0.037755m2/MPa2·d，屬典型的松軟、低透氣性以及高突煤層。礦井采取常規(guī)的穿層鉆孔預(yù)抽煤層的區(qū)域防突措施，由于低透氣性，抽采瓦斯?jié)舛炔桓?，抽采效果不佳，影響礦井的“抽采掘”部署。為了提高煤層透氣性和抽采效果，實(shí)現(xiàn)“抽采掘”平衡，達(dá)到消突的目的，礦井?dāng)M在24采區(qū)-80m水平的南底板巷進(jìn)行水力沖孔試驗(yàn)。

2 穿層水力沖孔技術(shù)原理及工藝

2.1 原理

穿層水力沖孔的實(shí)施措施：在煤層底板的抽采巷中，利用煤層底板作為安全保障，由抽采巷向煤層施工抽采鉆孔，利用高壓水射流的作用，將原有的鉆孔煤孔段的空間擴(kuò)大，在這個(gè)過程中會(huì)排出原有鉆孔數(shù)倍的煤量以及瓦斯。由于水力沖孔對(duì)煤孔段造成的破壞以及導(dǎo)致的應(yīng)力集中會(huì)在孔洞產(chǎn)生卸壓區(qū)，使得孔洞的滲透性大大地提高，從而增強(qiáng)了孔洞的卸壓增透效果，快速實(shí)現(xiàn)消突的目的[1]。

2.2 工藝流程

水力沖孔的工藝流程為：利用液壓鉆機(jī)施工至煤層頂板后，停止進(jìn)鉆。先檢查管路連接密封，方式為向管路加大壓力，即將管路連接至高壓水泵，關(guān)閉高壓膠管與分水器連接處的球閥，啟動(dòng)高壓水泵，將泵的壓力逐步提高至20MPa，觀察管路1～2min，看管路是否有滲漏現(xiàn)象，如有滲漏現(xiàn)象，需要立即關(guān)閉高壓水泵，進(jìn)行處理，直至無滲漏現(xiàn)象時(shí)，將泵的壓力逐步降至0MPa，關(guān)閉高壓水泵。打開高壓膠管與分水器之間的球閥，重新開啟高壓水泵，調(diào)節(jié)壓力閥，將壓力逐步提高至一定值（不宜過大），開啟鉆機(jī)。此時(shí)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿直到鉆孔口有水流出，待有煤巖渣從孔口流出來時(shí)，調(diào)節(jié)壓力閥，逐步提高壓力至一定值（要大于煤體的抗剪強(qiáng)度），保持這個(gè)壓力進(jìn)行沖孔。待完成一個(gè)鉆桿后，準(zhǔn)備卸鉆桿時(shí)，將高壓泵的壓力調(diào)至0MPa，關(guān)閉球閥，取下鉆桿，重新將分水器與鉆桿連接上，重復(fù)沖孔步驟，直至沖孔結(jié)束。沖孔結(jié)束后，立即進(jìn)行兩堵一注囊袋式封孔，待封孔結(jié)束后，進(jìn)行連管接抽。水力沖孔的示意圖如圖1所示。

圖1 水力沖孔工藝示意圖

3 工程實(shí)踐

3.1 水力沖孔的參數(shù)確定

水力沖孔主要利用高壓水射流的作用對(duì)煤體進(jìn)行破壞，排出更多煤渣，形成更大的孔徑。在施工過程中，由于高壓水的沖擊作用破壞了煤體，使得原來整體結(jié)構(gòu)的煤體發(fā)生了移動(dòng)，并隨著水流排出。此時(shí)，煤孔段的空間變大，煤體發(fā)生變形，周圍的裂隙也增大，從而使得煤體卸壓充分，煤層的透氣性也得到提高。而要達(dá)到?jīng)_孔的效果，必須使煤體受到破壞，即沖孔壓力必須大于煤體的抗剪強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行沖孔前，必須確定合適的沖孔壓力。

水力沖孔是以高壓水射流的動(dòng)壓作用在煤體上，由于沖擊的作用，使得煤體內(nèi)部形成與沖擊力大小一樣的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力逐步超過煤體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤體的平衡狀態(tài)被打破，煤體發(fā)生破壞，重新進(jìn)行應(yīng)力分布，直至平衡。有研究表明，煤的極限抗剪強(qiáng)度σc與煤的堅(jiān)固性系數(shù)f存在以下關(guān)系[2]：

式中：

σ-抗剪強(qiáng)度系數(shù)。

通過不斷地試驗(yàn)研究，最佳的沖孔壓力為20f[3]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室取樣檢測(cè)的結(jié)果，坦家沖煤礦6煤層的普氏系數(shù)為0.17～0.31，從而煤樣的抗剪強(qiáng)度大致為3.4～6.2MPa。考慮到高壓水射流在管路中的降壓作用，因此，確定坦家沖煤礦水力沖孔措施的沖孔壓力為7MPa。

3.2 施工方案的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的地點(diǎn)選在246-80m南底板巷。共設(shè)計(jì)2組鉆孔，每組鉆孔設(shè)計(jì)5個(gè)鉆孔，其中第1組為水力沖孔鉆孔，編號(hào)分別為1-1#、1-2#、……1-5#，第2組為普通鉆孔，編號(hào)分別為2-1#、2-2#、……2-5#。其中，水力沖孔鉆孔與普通鉆孔相對(duì)應(yīng)的方位角、傾角以及開孔高度相同。為了防止水力沖孔與普通鉆孔的相互影響，兩組孔的間距定為20m。

4 水力沖孔的效果考察

對(duì)于水力沖孔效果的考察，主要包括兩個(gè)方面：一是水力沖孔擴(kuò)孔效應(yīng)考察，另一個(gè)是瓦斯抽采效果的考察。

4.1 水力沖孔擴(kuò)孔效應(yīng)考察

實(shí)施水力沖孔措施時(shí)，煤孔段在原有的基礎(chǔ)上又沖出大量的煤體，煤孔段孔洞的大小與煤層的增透效果有直接的關(guān)系。根據(jù)研究可以確定的是，該孔洞的空間越大，孔洞的煤層增透效果就越好。將該孔洞的直徑定義為水力沖孔的等效直徑ds，根據(jù)研究表明，其值可以通過以下公式進(jìn)行確定[4]：

式中：

m-該孔實(shí)施水力沖孔措施時(shí)沖出的煤量，t；

γ-煤的視密度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的結(jié)果，坦家沖煤礦的視密度為1.53t/m3；

d0-鉆孔直徑，0.075m；

l-該煤孔段長度，m。

水力沖孔后的等效直徑與鉆孔直徑之間的比值定義為孔徑擴(kuò)大系數(shù)k，即k=ds/d0，表征水力沖孔孔徑擴(kuò)大效應(yīng)。

根據(jù)打鉆時(shí)的觀測(cè)記錄可知，水力沖孔鉆孔與普通鉆孔相比，噴孔的現(xiàn)象更加明顯，從而表明水力沖孔大大加快了瓦斯釋放，達(dá)到卸壓的目的。記錄了各水力沖孔鉆孔的出煤量，根據(jù)公式（2）可以得到水力沖孔后的等效直徑，如表1所示。

表1 水力沖孔鉆孔擴(kuò)孔效果表

從表1中可以得知，在水力沖孔后孔徑擴(kuò)大至7～10倍，說明煤孔段的空間變大，煤孔段的裂隙得到進(jìn)一步發(fā)育，瓦斯運(yùn)移的阻力進(jìn)一步減小，煤層的透氣性得到提高，從而能夠有效地提高瓦斯抽采效果。

4.2 瓦斯抽采效果考察

在水力沖孔鉆孔與普通鉆孔施工完成后，立即進(jìn)行連管接抽。選用抽采濃度作為瓦斯抽采效果的對(duì)比指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了30d內(nèi)的瓦斯抽采濃度。各孔的抽采濃度平均值情況見表2，并選取其中兩個(gè)孔作比較，如圖2所示。

表2 各孔抽采濃度情況

根據(jù)表2與圖2可以看出，進(jìn)行水力沖孔的鉆孔瓦斯抽采濃度明顯高于普通鉆孔。根據(jù)表2中具體數(shù)值可以看出，水力沖孔鉆孔的平均抽采濃度提高了2倍左右。根據(jù)圖2中的瓦斯抽采數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)可以看出，水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采濃度相對(duì)初始抽采濃度下降幅度較小，并且初始抽采濃度比普通鉆孔的高，這表明實(shí)施水力沖孔后，煤層的衰減系數(shù)減低，透氣性增加。

圖2 沖孔鉆孔與普通鉆孔抽采濃度對(duì)比圖

綜上所述，水力沖孔措施對(duì)瓦斯抽采效果明顯。

5 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)考察，水力沖孔措施能夠沖出一定的煤量以及排出大量的瓦斯，使得煤層的透氣性增加，提高瓦斯抽采效果。

（2）通過對(duì)比實(shí)施水力沖孔措施的鉆孔與普通鉆孔的孔徑擴(kuò)大效果與瓦斯抽采濃度可知，實(shí)施水力沖孔措施的鉆孔孔徑擴(kuò)大至7～10倍，平均瓦斯抽采濃度提高了2倍左右，煤層的衰減系數(shù)減低，透氣性增加。