穿層鉆孔水力沖孔卸壓增透技術(shù)研究

胡 泊

（山西晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

引言

煤與瓦斯突出是當前高瓦斯等級以上礦井面臨的頭號難題。隨著礦井采掘深度的不斷增加，煤層應力和煤層透氣性也不斷發(fā)生變化，煤與瓦斯突出的危險性也越來越大。因此必須通過某些措施，增加煤層透氣性，提高區(qū)域瓦斯預抽效果，降低煤層瓦斯突出的危險系數(shù)[1]。而水力沖孔是防治突出的一種有效措施。在突出危險煤層中，通過沖刷煤體，沖出若干直徑較大的孔洞；同時部分煤體得到了破壞，引起應力重新分布，導致噴孔的發(fā)生和發(fā)展，釋放巖層、煤層的變形以及瓦斯的潛能，從而達到消突防突的目的。

1 岳城煤礦現(xiàn)場概況

岳城煤礦主采3號煤層，礦井地應力為中等應力，蓋山厚度為710~770 m。煤層厚度為4.6~6 m，3號煤層殘存瓦斯含量為2.26 m3/t，最大為12.73 m3/t。原始瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，百米鉆孔瓦斯流量0.000 5～0.003 9 m3/（min·hm），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.14～0.39 d-1，大于國家對煤層防突要求的瓦斯含量。因此必須對工作面瓦斯進行卸壓，杜絕現(xiàn)場瓦斯事故。

2 研究內(nèi)容

2.1 水力沖孔原理

水力沖孔卸壓增透技術(shù)是近年來高瓦斯礦井消突防突的一項重要舉措。該技術(shù)是通過對水體加壓，將鉆孔周邊的煤體大量沖出，在煤體中形成一個大的孔洞，從而對煤體卸壓增透，同時在水力的沖刷及圍壓的作用下，煤體的孔隙裂隙大大發(fā)育，從而提高煤體的通透性，增加煤體的濕潤程度，有效降低煤層壓力，達到消突防突的目的[2]。

2.2 裝備選型

水力沖孔主要依靠噴嘴產(chǎn)生的高壓水對煤層進行沖刷切割，沖孔系統(tǒng)的性能決定著能否將煤體沖出及沖孔后的效果?，F(xiàn)場試驗需要使用的設(shè)備主要有鉆機、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、高壓密封水辮、高壓管、高壓控制閥、高壓密封三棱鉆桿、高壓噴頭、防超限裝置、煤氣水分離裝置等，如圖1所示。

圖1 水力沖孔系統(tǒng)組成圖

如圖1，水力沖孔鉆機采用施工穿層孔的ZDY-4200LPS型鉆機，配套鉆桿直徑73 mm。水力沖孔乳化液泵站及液箱采用13~17 MPa泵壓，沖孔流量為190~230 L/min，所選用的乳化液泵為BRW400/40[3]。為保證作業(yè)時的安全，在孔口防噴裝置的基礎(chǔ)上研制了防瓦斯超限裝置。

3 水力沖孔現(xiàn)場試驗

水力沖孔裝備試驗布置岳城礦西翼北回風大巷8號橫川以東30~200 m范圍內(nèi)，采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝，即采用普通鉆頭、鉆桿進行打鉆，鉆孔施工完成后，退出鉆桿、鉆頭更換水力沖孔高低壓旋轉(zhuǎn)噴頭和高圧密封鉆桿送至距孔底，從孔底往孔口進行全煤段沖孔。

試驗共布置20個鉆孔，11號—20號孔為間距為5 m，10號—30號孔為間距為10 m，其中14號、15號、17號、21號、22號、25號、26號、27號、28號、29號、30號孔為沖孔鉆孔，其他鉆孔為觀測鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，沖孔參數(shù)如下頁表1所示。

表1 西翼北回風巷現(xiàn)場試驗統(tǒng)計表

圖2 現(xiàn)場試驗鉆孔布置示意圖

在西翼北回風巷進行第二次水力沖孔試驗過程中，在沖孔14號、15號、17號、21號孔時，采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝后，大大減小了高壓密封鉆桿的磨損。改進后的水力沖孔用的高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置使用時間從改進前的30 min提高到了2 h左右，但還是出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象，未能達到設(shè)備改進的預期目標。對高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置進行了二次改進，改進后進行了22號、25號、26號、27號、28號、29號、30號孔的沖孔試驗，在試驗過程中未出現(xiàn)高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置漏水現(xiàn)象，高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置沖孔時間達到20 h后沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，仍能繼續(xù)使用，根據(jù)后期的試驗驗證，通過兩次改進后的一個高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置正常情況下沖10個鉆孔使用時間60 h沒有問題。

通過在西翼北回風巷的第二次水力沖孔試驗，采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝，試驗了沖孔壓力30 MPa，平均每米鉆孔沖出煤量達到2.5 t左右，試驗過程中高壓軟管未出現(xiàn)問題，通過改進沖孔裝置的耐磨性也較好，因此得出本項目選配的BRW400/40乳化液泵、高壓軟管、高壓密封鉆桿、噴頭等滿足試驗需求，達到了在岳城礦的地質(zhì)條件下沖孔設(shè)備匹配、運行狀態(tài)良好的效果。

水力沖孔試驗完成后，對沖孔鉆孔接抽抽采并觀測抽采數(shù)據(jù)，根據(jù)抽采數(shù)據(jù)得出，沖孔鉆孔在前在沖孔后10 d內(nèi)，單孔抽采純量均在100 m3/d以上，在一個月內(nèi)，抽采純量均在50 m3/d以上，在抽采一個月后，鉆孔的抽采純量有所下降，部分鉆孔在觀測的4個月時間里，抽采純量較穩(wěn)定，日抽采純量均在300 m3左右。在觀測的4個月時間里，沖孔鉆孔的流量保持穩(wěn)定，均在80%以上。

4 結(jié)論

1）通過試驗得到了底抽巷穿層鉆孔水力沖孔采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝較好，能夠減小沖孔裝備的損耗。

2）通過水力沖孔試驗得到，適合岳城礦底抽巷穿層鉆孔的沖孔壓力為15~20 MPa，沖孔水流量為190~230 L/min，沖出煤量不小于1 t/m。

3）水力沖孔后鉆孔的抽采濃度均達到了30%以上，大部分鉆孔的抽采濃度在50%以上，沖孔后在觀測的兩個月時間里鉆孔的濃度保持穩(wěn)定。