煤巷順層瓦斯抽采鉆孔水力沖孔增透技術(shù)研究

郭育東

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

在高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的煤巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)掘進(jìn)前方的煤層瓦斯進(jìn)行超前預(yù)抽卸壓是保證煤巷安全掘進(jìn)的必要條件。在執(zhí)行超前瓦斯預(yù)抽過(guò)程中，瓦斯抽采效果差、預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)是影響煤巷掘進(jìn)工作面安全、高效生產(chǎn)的主要影響因素，究其原因，除煤層自身瓦斯含量較高外，還與抽采技術(shù)、煤層透氣性等因素相關(guān)[1-3]。因此，為解決高瓦斯煤層煤巷掘進(jìn)工作面的高效超前瓦斯預(yù)抽難題，必須優(yōu)化抽采技術(shù)，增加煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率。以侯村煤礦3605 工作面回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)工作面的超前瓦斯預(yù)抽為工程背景，研究煤層增透技術(shù)以提高瓦斯抽采效率，解決該煤巷工作面掘進(jìn)前方瓦斯預(yù)抽難度大、抽采效率低下問(wèn)題。

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司侯村煤礦年產(chǎn)量120萬(wàn)t，屬高瓦斯礦井。該礦3607 工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)工程量1420 m，掘進(jìn)的3 號(hào)煤層厚度2.7～8.2 m，均厚5.5 m，煤層傾角5°～8°，煤層硬度系數(shù)0.35，煤層透氣性系數(shù)為0.46 m2/MPa2·d，屬低透氣性煤層。煤層頂板為較為致密的粉砂巖及中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層。3607 工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，斷面形狀為直墻矩形，斷面規(guī)格為寬×高=5.5 m×3.8 m。

3607 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)區(qū)域煤層原始瓦斯壓力為1.67 MPa，瓦斯含量平均8.96 m3/t，在掘進(jìn)前必須進(jìn)行超前瓦斯預(yù)抽。該巷在掘進(jìn)過(guò)程中，采取的瓦斯防治措施為超前順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。在預(yù)抽過(guò)程中，采取常規(guī)抽采方法存在抽采效率低、工期長(zhǎng)及掘進(jìn)期間仍存在風(fēng)排瓦斯量較高等問(wèn)題，主要原因?yàn)槊簩油笟庑暂^低。為提高瓦斯抽采效率，保障煤巷掘進(jìn)工作面的安全、高效掘進(jìn)，需對(duì)順層鉆孔增透助抽開(kāi)展技術(shù)研究。

2 煤層水力沖孔增透技術(shù)分析

2.1 水力沖孔增透原理

采用水力沖孔進(jìn)行煤層增透卸壓的主要原理是利用高壓水對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行射流沖刷，使沖刷掉的煤體形成水煤隨鉆孔流出，從而使孔壁產(chǎn)生數(shù)倍于鉆孔孔徑的圓柱形空洞。形成較大空洞后，空洞周圍煤體在圍巖應(yīng)力及瓦斯應(yīng)力的共同作用下向空洞空間產(chǎn)生位移變形，即沖孔后的卸壓過(guò)程。在卸壓過(guò)程中逐步向深部產(chǎn)生裂隙，從而實(shí)現(xiàn)煤層增透。煤層增透后促進(jìn)了煤層中瓦斯的解吸與排放[2]，瓦斯抽采難度得到有效降低。故通過(guò)水力沖孔后的抽采鉆孔，在抽采期間其瓦斯抽采效率將大大高于常規(guī)鉆孔。

2.2 不同類型鉆孔水力沖孔對(duì)比分析

對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采的鉆孔主要分為穿層鉆孔和順層鉆孔。目前，通過(guò)水力沖孔進(jìn)行煤層增透卸壓主要在煤層底板巖巷施工的穿層鉆孔中應(yīng)用較多，主要原因?yàn)榈装鍘r巷穿層鉆孔成型及穩(wěn)定性較好，水力沖孔過(guò)程中不易出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象，且沖孔期間產(chǎn)生的水煤自上向下容易流出，通過(guò)控制沖孔水壓及時(shí)長(zhǎng)即可控制沖孔卸煤量，從而實(shí)現(xiàn)沖孔卸壓及煤層增透的目的，但存在底板巖巷工程量大、需布置的鉆孔較多等問(wèn)題。在煤層中鉆進(jìn)的普通順層瓦斯抽采鉆孔，其直徑通常在73～140 mm 之間，加之煤層硬度相對(duì)較低，在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)孔壁周圍擾動(dòng)較小，無(wú)法通過(guò)鉆進(jìn)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)煤層致裂增透的作用，故在低滲透性的煤層中采取的普通順層鉆孔瓦斯預(yù)抽過(guò)程中，存在預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)、抽采效果差等問(wèn)題。煤層中的順層鉆孔若采用水力沖孔，則會(huì)因煤層內(nèi)鉆孔易塌孔導(dǎo)致沖孔過(guò)程中易堵孔，另存在因順層鉆孔傾角較小導(dǎo)致水煤流出較為困難問(wèn)題，需通過(guò)研究鉆孔布置、沖孔工藝及卸煤量控制等技術(shù)以解決沖孔期間的塌孔、堵孔問(wèn)題，但采用順層鉆孔進(jìn)行水力沖孔，具有鉆孔工程量小、鉆孔利用率高等優(yōu)點(diǎn)。在掘進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)前方煤層瓦斯賦存狀況進(jìn)行靈活運(yùn)用，對(duì)煤巷高效掘進(jìn)及降低工程成本具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.3 順層鉆孔水力沖孔的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）沖孔工序的確定。水力沖孔期間，單孔內(nèi)沖孔順序必須是由里向外，可減少堵孔因素，完成全部沖孔后需再鉆進(jìn)至孔底透孔，確保成孔后埋管抽采的順利進(jìn)行。

（2）沖孔水壓的控制。沖孔水壓過(guò)大，短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量水煤，在流出困難時(shí)易發(fā)生堵孔；沖孔水壓過(guò)小，則沖孔效率相應(yīng)偏低，且造穴空間較小，達(dá)不到預(yù)期效果。故沖孔水壓的控制，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐能夠控制水煤大量順利流出的情況下進(jìn)行確定。

（3）沖孔造穴控制。主要需控制沖孔造穴的空間大小及造穴間距，造穴空間過(guò)小，易受應(yīng)力影響重新壓實(shí)，導(dǎo)致致裂增透效果欠佳；造穴空間過(guò)大，易造成空洞穩(wěn)定性較差，發(fā)生大范圍塌孔及堵孔現(xiàn)象。根據(jù)目前眾多實(shí)踐及理論分析成果可知，造穴空間長(zhǎng)度宜控制在1 m 左右，造穴半徑宜控制在0.5 m 以內(nèi)[4-5]，造穴間距與周圍鉆孔的密度相關(guān)，但不宜小于4 m，確保鉆孔造穴后的穩(wěn)定性。順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖如圖1。

圖1 順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖（m）

3 水力沖孔工藝與方案

3.1 水力沖孔系統(tǒng)

水力沖孔系統(tǒng)包含用于儲(chǔ)水、過(guò)濾的水箱，用于水力增壓的高壓泵及壓力表，以及組成鉆進(jìn)設(shè)備的鉆機(jī)、鉆桿和連接鉆桿的水力沖孔接頭等，其組成如圖2。

圖2 水力沖孔系統(tǒng)組成示意圖

3.2 水力沖孔工藝流程

（1）將水箱、高壓泵與鉆機(jī)連接后，在鉆頭往后的第2～3 根鉆桿位置連接水力沖孔接頭，然后在設(shè)計(jì)施鉆位置開(kāi)始鉆進(jìn)，利用螺旋鉆桿排出鉆進(jìn)煤粉，直至鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深位置停鉆。

（2）確認(rèn)水箱、高壓泵及管路連接密閉良好后，開(kāi)啟高壓泵，待壓力升至設(shè)計(jì)壓力后，緩慢開(kāi)啟控制閥，向鉆桿內(nèi)注入高壓水，直至觀察孔內(nèi)有水流出。

（3）鉆孔內(nèi)有水流出后，開(kāi)啟鉆機(jī)，同時(shí)將高壓控制閥完全打開(kāi)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿繼續(xù)向前緩慢鉆進(jìn)進(jìn)行水力沖孔，長(zhǎng)度達(dá)到一個(gè)造穴長(zhǎng)度后停鉆并停止沖水。

（4）水力沖孔完成一個(gè)造穴長(zhǎng)度后，將鉆桿退出一個(gè)造穴間距加上一個(gè)造穴長(zhǎng)度后，重新開(kāi)啟高壓泵沖水并開(kāi)啟鉆機(jī)向前鉆進(jìn)進(jìn)行水力沖孔造穴。如此往復(fù)進(jìn)行后退式?jīng)_孔，直至完成一個(gè)鉆孔的全部沖孔設(shè)計(jì)。

（5）完成一個(gè)鉆孔的全部沖孔后，在停水狀態(tài)下，再向鉆孔內(nèi)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，并開(kāi)啟壓風(fēng)排粉，達(dá)到透孔的目的。

（6）透孔完成后，將鉆桿全部退出，采用兩堵一注法對(duì)該孔進(jìn)行埋管抽采。

3.3 鉆孔布置及沖孔造穴方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)超前瓦斯抽采鉆孔循環(huán)深度為100 m，鉆孔呈扇形布置，前方控制100 m，巷道兩側(cè)控制不小于30 m，斷面內(nèi)共布置9 個(gè)鉆孔，沖孔水壓控制最高16 MPa。根據(jù)鉆孔布置，設(shè)計(jì)單孔造穴間距時(shí)，因鉆孔由淺至深呈現(xiàn)鉆孔間距由小到大的變化，將鉆孔按照深淺劃分為4 個(gè)區(qū)域。其中，鉆孔80～100 m 范圍劃分為Ⅰ區(qū)，造穴間距設(shè)計(jì)為5 m；鉆孔60～80 m范圍劃分為Ⅱ區(qū)，造穴間距設(shè)計(jì)為6 m；鉆孔40～60 m范圍劃分為Ⅲ區(qū)，造穴間距設(shè)計(jì)為8 m；鉆孔20～40 m 范圍劃分為Ⅳ區(qū)，造穴間距設(shè)計(jì)為14 m。造穴長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為1 m。根據(jù)鉆孔布置及造穴密度，各區(qū)域造穴數(shù)量、出煤量及出煤率要求見(jiàn)表1，鉆孔設(shè)計(jì)及造穴布置如圖3。

表1 各區(qū)域水力沖孔出煤率要求表

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)及造穴布置方案示意圖（m）

4 效果分析

3607 工作面回風(fēng)順槽在超前預(yù)抽鉆孔施工第8循環(huán)中采取了水力沖孔增透措施，為驗(yàn)證水力沖孔增透效果，充分收集了第8 循環(huán)的瓦斯抽采純量、抽采濃度及抽采時(shí)間，并與僅采取普通順層鉆孔抽采的第3 循環(huán)進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)循環(huán)所收集的瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 水力沖孔增透后瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖

由圖4 分析兩個(gè)循環(huán)在10 d 內(nèi)抽采的瓦斯數(shù)據(jù)可知，3607 工作面回風(fēng)順槽在第三循環(huán)平均瓦斯抽采濃度為18%，平均瓦斯抽采純量為0.38 m3/min；采取了水力沖孔增透措施的第8 循環(huán)在10 d 內(nèi)平均瓦斯抽采濃度高達(dá)34%，是第3 循環(huán)的1.9 倍，平均瓦斯抽采純量高達(dá)2.3 m3/min，是第3 循環(huán)的6 倍。根據(jù)兩個(gè)循環(huán)對(duì)比可知，采取水力沖孔后的鉆孔瓦斯抽采效率得到大幅提升。

另根據(jù)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，第3 循環(huán)鉆孔全部成孔時(shí)間為3 d，預(yù)抽至抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為19 d，共計(jì)循環(huán)瓦斯治理時(shí)間為22 d；第8 循環(huán)鉆孔成孔及水力沖孔時(shí)間為7 d，預(yù)抽至抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為12 d，共計(jì)循環(huán)瓦斯治理時(shí)間為19 d，相對(duì)第3 循環(huán)減少3 d。且第8 循環(huán)瓦斯抽采后，殘余瓦斯含量及鉆屑解析指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果均明顯低于第3 循環(huán)，巷道內(nèi)風(fēng)排瓦斯量也有明顯降低，有效保障該巷的安全掘進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)在低透氣性煤層施工的順層瓦斯抽采鉆孔采取水力沖孔造穴增透后，瓦斯抽采濃度及抽采純量能夠得到大幅提升，可有效提高瓦斯抽采效率，解決低透氣性煤層順層鉆孔瓦斯抽采效率低、預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)及殘余瓦斯含量高等問(wèn)題，為工作面安全高效掘進(jìn)打下基礎(chǔ)。