水力造穴技術(shù)在底板巖巷消突工程的應(yīng)用

劉向忠

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲煤礦， 山西 古交 030200)

山西焦煤集團(tuán)公司東曲煤礦是西山礦區(qū)3個(gè)高突礦井之一，主要可采煤層(2#、4#、8#和9#煤層)均為突出煤層。其中，2#、4#煤為上組煤，8#、9#煤為下組煤，均為近距離煤層。 隨著礦井由+973 m水平向+860 m水平的延伸，尤其是即將進(jìn)入采掘活動(dòng)的九采區(qū)上組煤，煤層原始瓦斯壓力為0.4～1.6 MPa，原始瓦斯含量高達(dá)11～12 m3/t，遠(yuǎn)超突出臨界值，是礦井當(dāng)前瓦斯壓力最大、瓦斯含量最高和煤層埋深最深的采區(qū)。因此，九采區(qū)上組煤安全高效的消突方案是采掘活動(dòng)開(kāi)始前的首要難點(diǎn)與重點(diǎn)，對(duì)礦井的深部開(kāi)采具有重要意義。

1 九采區(qū)上組煤概況

2#煤層厚度1.46～2.11 m，平均煤厚1.80 m,煤層傾角3°～8°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部有夾矸，屬穩(wěn)定型煤層；4#煤層厚度1.06～2.00 m，平均煤厚1.48 m,平均傾角3°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定型煤層。蓋山厚度為267～374 m，地面標(biāo)高為1 017～1 264 m. 九采區(qū)上組煤位于突出危險(xiǎn)區(qū)，須同時(shí)對(duì)2#、4#煤層進(jìn)行消突。

2 底板巖巷穿層鉆孔消突方案

2.1 底板巖巷位置

22906軌道順槽為設(shè)計(jì)的首掘煤巷，位于2#煤層，下方4#煤層中外錯(cuò)30 m布置24906軌道順槽為次掘煤巷。根據(jù)4#煤層下部巖性(見(jiàn)圖1)，確定在4#煤層底板下方巖層中先布置一條巖巷，內(nèi)錯(cuò)22906軌道順槽30 m布置，距4#煤層平均間距8 m.

圖1 4#煤層下部巖層柱狀圖

2.2 鉆孔參數(shù)

在鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到煤層賦存情況、鉆孔的有效抽采范圍等因素，在底板巖巷內(nèi)布置穿層鉆孔預(yù)抽2#煤層、4#煤層的條帶煤層瓦斯，鉆孔有效抽采半徑按2.5 m計(jì)算，需每隔5 m施工一組鉆孔。為了確保鉆孔覆蓋范圍無(wú)空白帶，經(jīng)多次優(yōu)化，呈扇形布置，每組12個(gè)孔，孔徑113 mm，單個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔進(jìn)尺合計(jì)582 m(見(jiàn)表1，圖2). 底板巖巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 030 m，鉆場(chǎng)數(shù)量206個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺119 892 m.

2.3 穿層鉆孔消突方案優(yōu)缺點(diǎn)

1) 安全性方面：在底板抽采巷施工穿層鉆孔，有抽采空間，安全可靠性較高。

2) 鉆孔成孔率方面：鉆孔長(zhǎng)度較短，鉆孔施工容易；由于鉆孔長(zhǎng)度較短，鉆孔偏離設(shè)計(jì)方向較小，容易保證鉆孔均勻布置[1-2].

表1 底板巖巷穿層條帶鉆孔參數(shù)表

圖2 底板巖巷穿層鉆孔布置圖

3) 瓦斯治理時(shí)間方面：九采區(qū)上組煤是礦井準(zhǔn)備區(qū)，首掘面的順槽掘進(jìn)時(shí)間為2020年9月，穿層鉆孔完工時(shí)間為2019年6月，預(yù)抽時(shí)間為15個(gè)月，有充足的消突和瓦斯治理時(shí)間，抽采效果較好，且今后的掘進(jìn)巷道可以一次到位，避免了抽掘銜接緊張的局面。

4) 經(jīng)濟(jì)性方面：底板巖巷既能作為掩護(hù)順槽掘進(jìn)的區(qū)域消突巷道，又能作為工作面回采期間的瓦斯治理巷，同時(shí)還能作為今后下部8#煤層采煤工作面的高抽巷使用，實(shí)現(xiàn)“一巷多用”目的。

3 水力造穴增透技術(shù)

礦井各煤層的透氣性系數(shù)偏低，處于0.362～1.215 m2/MPa2·d，其中2#煤層為0.641 m2/MPa2·d，4#煤層為1.215 m2/MPa2·d，屬于可抽采煤層，但是影響瓦斯預(yù)抽效果。為了進(jìn)一步提升底板巖巷穿層消突鉆孔的預(yù)抽效果，引進(jìn)水力造穴增透技術(shù)。

3.1 水力造穴原理

1) 主要是利用鉆沖一體化成套裝備完成，采用清水泵配合高低壓轉(zhuǎn)換沖孔造穴裝置實(shí)現(xiàn)不退鉆桿鉆進(jìn)、沖孔造穴的功能。

2) 常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)，采用系統(tǒng)靜壓水，高低壓轉(zhuǎn)換沖孔造穴裝置前端打開(kāi)，完成正常鉆進(jìn)供水排渣。沖孔作業(yè)時(shí)，連接清水泵供水，高壓狀態(tài)下，高低壓轉(zhuǎn)換沖孔造穴裝置前端封閉，側(cè)部出水孔形成高壓水射流，實(shí)現(xiàn)沖孔造穴功能。

3) 裝置工作壓力可達(dá)到18 MPa，高壓水對(duì)煤體進(jìn)行沖孔造穴，在煤體中形成一定寬度和高度的不規(guī)則縫槽，最大可形成直徑 1 m的空間，從而提高煤層的透氣性和瓦斯釋放速度，縮短評(píng)價(jià)周期。

3.2 水力造穴一體化裝備

ZDY4500LXY型煤礦用履帶式液壓鉆機(jī)、BQWL200/31.5型高壓清水泵站、d73 mm三棱高壓密封鉆桿、d113 mm鉆頭、送水裝置、耐高壓密封旋轉(zhuǎn)接頭、三防裝置、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置及移動(dòng)式排水倉(cāng)。

3.3 方案設(shè)計(jì)

考慮到前期選擇部分鉆孔進(jìn)行考察時(shí)，由于單孔抽采流量較小、抽采變化特征不明顯，選定5組(60個(gè)鉆孔)為一個(gè)考察單元，共兩個(gè)單元，其中一個(gè)單元施工的所有鉆孔進(jìn)行水力造穴，另一個(gè)單元施工的穿層鉆孔不進(jìn)行水力造穴，通過(guò)放大基數(shù)確保考察工作順利。同時(shí)，兼顧單孔抽采效果變化考察需求，每一單元的5組鉆孔，均選擇穿煤段較長(zhǎng)的4號(hào)孔觀測(cè)單孔濃度、流量等參數(shù)，一旦具備分析條件，一并予以分析報(bào)告。

為避免兩個(gè)單元的鉆孔施工時(shí)間不影響抽采數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)每施工完一個(gè)鉆孔后關(guān)閉孔口閥門(mén)、暫不接抽，待同一單元的所有鉆孔施工完畢后集中帶抽。為進(jìn)一步凸顯抽采效果隨時(shí)間變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)按接抽30天、60天分別進(jìn)行考察分析。

3.4 抽采效果考察分析

3.4.1抽采濃度分析

1) 單元混合抽采濃度衰減。

從每一單元混合抽采濃度數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)歷了抽采初期(造穴鉆孔10天左右，非造穴鉆孔30天左右)的瓦斯源相對(duì)豐富期(關(guān)閉鉆孔控制閥門(mén)，孔內(nèi)積聚有一定量的瓦斯)，后期呈現(xiàn)出抽采負(fù)壓升高、抽采濃度下降的趨勢(shì)。

造穴鉆孔抽采濃度受抽采負(fù)壓變化的時(shí)間提前，表明沖孔造穴工藝加劇了包括鉆孔封孔段所在圍巖體的松動(dòng)卸壓速度(也有可能包括范圍)，即今后需維持更長(zhǎng)時(shí)間的高濃度抽采，需考慮進(jìn)一步提高造穴鉆孔封孔質(zhì)量，包括對(duì)周邊圍巖體進(jìn)行一定的封堵。

2) 單元混合抽采濃度橫向?qū)Ρ取?/p>

造穴鉆孔前30天混合抽采濃度18%～30%，平均濃度26.3%；前60天混合抽采濃度18%～32%，平均濃度28.2%. 非造穴鉆孔前30天混合抽采濃度18%～30%，平均濃度25.8%；前60天混合抽采濃度18%～35%，平均濃度30.2%.

3.4.2單元抽采瓦斯純量分析

造穴鉆孔前30天日抽采純量0.103～0.448 m3/min，日平均抽采純量0.287 m3/min；前60天日抽采純量0.103～0.448 m3/min，日平均抽采純量0.298 m3/min.

非造穴鉆孔前30天日抽采純量0.096～0.230 m3/min，日平均抽采純量0.162 m3/min；前60天日抽采純量0.096～0.230 m3/min，日平均抽采純量0.150 m3/min.日抽采純量曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，圖4.

圖3 30天內(nèi)日抽采純量變化曲線(xiàn)圖

圖4 60天內(nèi)日抽采純量變化曲線(xiàn)圖

數(shù)據(jù)表明，抽采30天內(nèi)造穴鉆孔日平均抽采純量是非造穴鉆孔的1.8倍，抽采60天內(nèi)造穴鉆孔日平均抽采純量是非造穴鉆孔的2.0倍，即水力造穴鉆孔瓦斯抽采純量有明顯增加，并且隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，二者差距進(jìn)一步增加。通過(guò)圖4清晰可見(jiàn)，造穴鉆孔所在單元每日抽采瓦斯純量明顯高于非造穴鉆孔(初期單日瓦斯抽采純量變化較大與鉆孔接抽前封閉、孔內(nèi)積聚一定量的瓦斯有關(guān))。

3.4.3單元累計(jì)瓦斯抽采純量分析

造穴鉆孔前30天累計(jì)抽采瓦斯12 418.56 m3，前60天累計(jì)抽采瓦斯25 741.44 m3；非造穴鉆孔前30天累計(jì)抽采瓦斯6 999.84 m3，前60天累計(jì)抽采瓦斯12 997.44 m3.

相比日抽采瓦斯純量、平均抽采瓦斯純量變化趨勢(shì)，逐日累計(jì)抽采瓦斯量變化趨勢(shì)更加明顯，考察單元內(nèi)抽采瓦斯純量明顯大于非造穴鉆孔。

3.4.4瓦斯流量衰減情況分析

造穴鉆孔最大抽采混合流量為1.968 m3/min(第4天)，第30天后衰減到1.098 m3/min，瓦斯流量衰減系數(shù)0.021 6-d；第60天后衰減到1.052 m3/min，瓦斯流量衰減系數(shù)0.011 0-d. 非造穴鉆孔最大抽采混合流量為0.932 m3/min(第5天)，第30天后衰減到0.495 m3/min，瓦斯流量衰減系數(shù)0.024 3-d；第60天后衰減到0.41 m3/min，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.014 7-d. 60天內(nèi)考察單元逐日瓦斯流量衰減系數(shù),見(jiàn)圖5.

圖5 逐日瓦斯流量衰減系數(shù)變化曲線(xiàn)圖

數(shù)據(jù)表明，造穴鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)略小于非造穴鉆孔，差別在0.003-d左右。同時(shí)，雖然通過(guò)造穴增透提升了瓦斯抽采純量，但鉆孔流量衰減系數(shù)仍未突破0.003-d(最低0.011 0-d)，表明造穴增透本質(zhì)上未改變煤體可抽性質(zhì)，仍維持在可抽采狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)由可抽到易抽的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 在東曲煤礦實(shí)施底板巖巷穿層鉆孔消突技術(shù)符合礦井實(shí)情，實(shí)現(xiàn)了抽采工程與煤巷掘進(jìn)工程的分離，達(dá)到了安全高效消突的目標(biāo)。

2) 水力造穴實(shí)現(xiàn)了增透效果。通過(guò)逐日累計(jì)抽采瓦斯純量，造穴鉆孔明顯大于非造穴鉆孔，對(duì)今后改善預(yù)抽效果、實(shí)現(xiàn)快速消突有著現(xiàn)實(shí)意義。

3) 實(shí)現(xiàn)高濃度、高效抽采，需進(jìn)一步改進(jìn)水力造穴鉆孔封孔工藝，提高封孔質(zhì)量，改善孔口周邊圍巖體(煤體)的封閉條件。該方案主要考察瓦斯?jié)舛取⑼咚沽髁考巴咚沽髁克p情況，并未對(duì)水力造穴工藝條件下瓦斯壓力下降幅度或殘余瓦斯壓力變化，包括抽采有效、影響半徑情況進(jìn)行分析，下一步繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)考察，為更好地推廣該工藝進(jìn)行準(zhǔn)備。