玉溪煤礦煤巷掘進(jìn)工作面增透瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

閆賀賀

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

玉溪煤礦1302工作面位于3號(hào)煤層一盤(pán)區(qū)，工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層埋深500～600 m，煤層厚度5.12～7.20 m，平均厚度為5.85 m；煤層內(nèi)部含有一層夾矸，夾矸平均厚度為0.28 m，煤層底板巖層多為泥巖和中粒砂巖；1302工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面形式為矩形，巷道掘進(jìn)寬度×高度=5 700 mm×3 800 mm，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3號(hào)煤層瓦斯壓力為1.62 MPa，平均瓦斯含量13.56 m3/t，煤層屬于低滲透性可抽采煤層，現(xiàn)為解決3號(hào)煤層瓦斯難抽采，保障巷道掘進(jìn)期間的安全，特進(jìn)行掘進(jìn)工作面增透瓦斯抽采技術(shù)的分析研究。

2 水力沖孔造穴增透技術(shù)

2.1 增透原理

巷道掘進(jìn)期間通常采用的瓦斯抽采技術(shù)為普通順層瓦斯抽采，該類(lèi)鉆孔的直徑一般在73～140 mm，且該類(lèi)抽采鉆孔在施工時(shí)對(duì)周?chē)鷰r體的擾動(dòng)較小，對(duì)其周?chē)拿后w無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分卸荷損傷的目的，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的抽采效果。水力沖孔造穴增透的主要原理為在鉆孔施工過(guò)程中，通過(guò)高壓水沖出鉆孔中的局部煤量，以此在鉆孔周?chē)纬煽锥?，為?yīng)力作用下煤體的膨脹變形提供充足的空間，使鉆孔周?chē)后w在應(yīng)力作用下達(dá)到充分卸壓的目的，增多煤層中的裂隙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增大煤層透氣性的目的，促進(jìn)煤層中瓦斯的解吸與排放，提高抽采效果[1-2]。

該項(xiàng)技術(shù)可通過(guò)順層鉆孔深入到掘進(jìn)工作面前方的煤體中，通過(guò)高壓水射流造出一系列圓柱狀的造穴硐室為周?chē)后w瓦斯釋放提供充足的空間，以此實(shí)現(xiàn)抽采區(qū)域內(nèi)煤體的高效卸荷損傷及增透、增流的效果；采用該技術(shù)時(shí)若造穴長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，容易在采動(dòng)影響下被重新壓實(shí)，若造穴長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，易造成洞穴自身的穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)大范圍的塌孔現(xiàn)象，因此基于目前眾多理論研究成果確定造穴長(zhǎng)度一般為1 m[3-4]；采用該技術(shù)時(shí)，在抽采鉆孔較小的區(qū)域可適當(dāng)增大造穴間距，在鉆孔間距較大的區(qū)域，可適當(dāng)縮短造穴間距，增加造穴數(shù)量，以達(dá)到增強(qiáng)瓦斯抽采效果的目的，具體順層水力造穴瓦斯抽采方式見(jiàn)圖1。

圖1 水力造穴瓦斯抽采技術(shù)示意圖

2.2 水力沖孔系統(tǒng)及工藝流程

水力沖孔系統(tǒng)主要由水箱、高壓泵、鉆機(jī)、鉆桿、接頭、分離器、氣渣分離器和高壓管路組成，見(jiàn)圖2。

圖2 水力沖孔系統(tǒng)示意圖

水力沖孔增透技術(shù)工藝流程如下：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)方案在固定位置進(jìn)行順層瓦斯抽采鉆孔的定位與打設(shè)，通過(guò)鉆桿的螺旋葉片進(jìn)行排渣，并將水力沖孔設(shè)備的接頭連接在1～2根鉆桿之間，持續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，直至鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度。

2）將高壓注水泵與高壓膠管連接，高壓膠管再連接螺旋高壓密封鉆桿，連接完成后開(kāi)啟高壓泵，并將高壓泵的壓力調(diào)至設(shè)計(jì)值。

3）檢查高壓管路之間的連接密閉性，確認(rèn)完畢后，開(kāi)啟鉆進(jìn)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿（不鉆進(jìn)）直到鉆孔口有水流出。

4）鉆機(jī)進(jìn)鉆作業(yè)，通過(guò)水力沖孔進(jìn)行煤體切割。

5）反復(fù)在造穴范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)鉆與退鉆作業(yè)，重復(fù)進(jìn)行水力沖孔，以確保沖孔效果。

6）重復(fù)步驟（2）-（4），直到鉆孔按設(shè)計(jì)沖孔完畢，關(guān)閉高壓泵，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿(不鉆進(jìn))，退出剩余鉆桿。

3 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采

3.1 水力沖孔造穴方案

基于水力沖孔造穴的原理，結(jié)合1302工作面運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，確定本次水力沖孔采用前進(jìn)式造穴工藝，水力沖孔壓力為18 MPa，設(shè)置打鉆循環(huán)距離為100 m，在方案實(shí)施后按照10.5‰的出煤率進(jìn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)。

造穴時(shí)按照與掘進(jìn)工作面距離的遠(yuǎn)近將掘進(jìn)頭前方100 m的范圍劃分為4個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方80～100 m范圍，設(shè)置該區(qū)域的造穴間距為5 m；Ⅱ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方60～80 m范圍，造穴間距為8 m；Ⅲ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方40～60 m范圍，造穴的間距為8 m；Ⅳ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方20～40m范圍，造穴間距為14 m；設(shè)置水力造穴、瓦斯抽采循環(huán)長(zhǎng)度為100 m，每個(gè)抽采循環(huán)內(nèi)的鉆孔工程量為730 m，每個(gè)循環(huán)內(nèi)的造穴數(shù)量為88個(gè)，且在造穴過(guò)程應(yīng)確保每個(gè)區(qū)域的出煤率均能夠達(dá)到10.5‰，具體造穴方案設(shè)計(jì)的出煤率見(jiàn)表1，造穴方案見(jiàn)圖3。

表1 水力沖孔造穴方案設(shè)計(jì)出煤率

3.2 瓦斯抽采技術(shù)

玉溪煤礦3號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，采用先抽后掘的方法，解決掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大的問(wèn)題，以提高巷道的掘進(jìn)速度，在1302運(yùn)輸順槽綜掘面向巷道前方及兩側(cè)布置鉆場(chǎng)施工抽采鉆孔，鉆場(chǎng)及掘進(jìn)面迎頭各布置10個(gè)鉆孔，鉆孔呈三花形雙排布置，鉆孔間距為0.5 m，長(zhǎng)度為200 m[5-6]；橫川煤柱施工20～30個(gè)鉆孔，鉆孔呈三花形雙排布置，鉆孔間距為1～2 m，鉆孔深度為65 m，掘進(jìn)巷道至預(yù)定位置（留有20 m的超前距），再施工下一循環(huán)的鉆孔。抽采鉆孔布置見(jiàn)圖4。

圖4 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

3.3 效果分析

為驗(yàn)證分析水力沖孔增透瓦斯抽采技術(shù)的效果，在1302運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)程中，抽取第3循環(huán)和第8循環(huán)，即巷道掘進(jìn)400～600 m和1 400～1 600 m時(shí)進(jìn)行瓦斯抽采效果的監(jiān)測(cè)，巷道在第3循環(huán)瓦斯抽采時(shí)，僅采用普通的順層鉆孔抽采，在第8循環(huán)時(shí)，巷道掘進(jìn)工作面先采用水力沖孔造穴技術(shù)，隨后再采用順層鉆孔抽采技術(shù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出采用水力沖孔增透技術(shù)后瓦斯抽采濃度和抽采純量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 水力沖孔增透后瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖

分析圖5可知，1302運(yùn)輸順槽在第3循環(huán)采用普通順層鉆孔進(jìn)行抽采作業(yè)時(shí)，由于普通順層鉆孔對(duì)煤體的卸載損傷作用較小，其平均抽采濃度僅為20%，平均抽采純量?jī)H為0.40 m3/min，抽采濃度大于30%的高效抽采期僅有1 d；而在運(yùn)輸順槽采用水力沖孔造穴技術(shù)后，巷道在第8循環(huán)的平均抽采濃度為30%，提高了1.5倍，平均抽采純量為2.25 m3/min，提高了5.6倍，瓦斯抽采濃度大于30%的高效抽采期為10 d，提高了9倍；基于上述數(shù)據(jù)可知，掘進(jìn)工作面采用水力沖孔造穴增透技術(shù)后，大大增強(qiáng)了瓦斯抽采效率。

另外在1302運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面采用水力沖孔增透瓦斯抽采技術(shù)后，進(jìn)行殘余瓦斯含量和鉆屑解吸指標(biāo)的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出，抽采方案實(shí)施后實(shí)測(cè)的煤層殘余瓦斯含量為6.865 5 m3/t，低于臨界值8 m3/t；鉆屑解吸指標(biāo)K1值為0.33 mL/g.min1/2，均小于臨界值0.4 mL/g.min 1/2，有效解決了掘進(jìn)工作面瓦斯含量高的問(wèn)題。

4 結(jié)論

依據(jù)水力沖孔造穴增透技術(shù)原理，基于水力沖孔造穴系統(tǒng)工藝流程，結(jié)合1302運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，確定掘進(jìn)工作面水力沖孔造穴循環(huán)距離為100 m，每循環(huán)內(nèi)劃分為4個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行造穴間距的設(shè)計(jì)，并對(duì)順層瓦斯抽采鉆孔的布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)水力沖孔增透技術(shù)實(shí)施前后的監(jiān)測(cè)分析可知，水力沖孔造穴增透效果顯著，掘進(jìn)工作面抽采后瓦斯含量在合理范圍內(nèi)，保障了掘進(jìn)工作面的安全。