軟分層水力沖孔掏煤防突技術(shù)試驗(yàn)研究

吳晉軍, 李定啟

(1.山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

采用水力沖孔技術(shù)對(duì)軟煤層實(shí)行卸壓增透，是一項(xiàng)較好的區(qū)域消突措施，在我國(guó)煤礦開(kāi)采生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，具有良好的實(shí)用效果[1-10]。高曉亮等[11]通過(guò)流體力學(xué)分析，對(duì)下斜鉆孔用水力沖孔器進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了下斜鉆孔施工過(guò)程中的排渣問(wèn)題。馮文軍等[12]通過(guò)與企業(yè)合作研制出“瓦斯抽采孔水力作業(yè)機(jī)”，施工過(guò)程減免更換鉆桿，實(shí)現(xiàn)沖孔連續(xù)作業(yè)，利用視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。劉明舉等[13]通過(guò)理論計(jì)算研究水力沖孔噴嘴與沖孔壓力的關(guān)系，結(jié)果表明沖孔水壓隨噴嘴直徑增大而降低。沈逸飛等[14]利用有限元數(shù)值模擬軟件，得出孔洞受壓變形規(guī)律及出煤量與孔洞變形之間的關(guān)系。許江等[15]應(yīng)用自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)高壓水沖孔物理模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行水力沖孔物理模擬試驗(yàn)，得出水力沖孔過(guò)程中的沖出煤量，沖孔后的孔洞形態(tài)及抽采過(guò)程中氣體壓力、流量等參數(shù)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。胡底煤礦3號(hào)煤層賦存不均衡，煤層頂板下方、底板上方均有軟煤層，工作面消突難度大。胡底煤礦采取底抽巷穿層鉆孔軟分層水力沖孔掏煤措施，以實(shí)現(xiàn)煤層巷道回采工作面區(qū)域消突，但效果不理想，為此，提出在胡底煤礦進(jìn)行突出煤層軟分層水力沖孔掏煤技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)煤層快速區(qū)域消突的目的。

1 軟分層水力沖孔掏煤防突機(jī)理

水力沖孔掏煤技術(shù)是軟煤層瓦斯區(qū)域消突的主要措施之一。突出煤層水力沖孔掏軟分層后，軟煤層中形成孔洞，余留煤柱。應(yīng)力作用下煤柱蠕變，周邊徑向緩慢流動(dòng)至孔洞，煤柱壓縮，煤層卸壓膨脹。據(jù)煤層防突經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)層膨脹變形率達(dá)到千分之三以上，可實(shí)現(xiàn)充分卸壓消突效果。針對(duì)突出危險(xiǎn)性較大軟分層優(yōu)先采用水力沖孔掏煤技術(shù)，在煤層內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域，達(dá)到區(qū)域消突效果。本方法可對(duì)不具備保護(hù)層開(kāi)采條件的突出煤層實(shí)現(xiàn)區(qū)域卸壓消突，提高煤層回采工作面瓦斯抽放效率、縮短抽放時(shí)間，最大程度消除瓦斯突出災(zāi)害，提高開(kāi)采工作效率。

2 軟分層水力沖孔掏煤設(shè)備及工藝

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

山西晉能控股集團(tuán)胡底煤業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)胡底煤礦，下同)位于山西省沁水縣胡底鄉(xiāng)境內(nèi)，是沁水煤田樊莊勘探區(qū)的一部分，工業(yè)場(chǎng)地西距沁水縣縣城約50 km，東距胡底鄉(xiāng)約3 km.主采3號(hào)煤層，平均5.67 m，頂?shù)撞看嬖诜€(wěn)定軟分層，厚度均為0.3 m左右。試驗(yàn)地點(diǎn)選取1305底抽巷巷道穿層鉆孔掩護(hù)13053煤巷掘進(jìn)。3號(hào)煤層地應(yīng)力、瓦斯壓力大，瓦斯含量高，透氣性系數(shù)為9.01～21.30 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.022 2～0.039 6 d-1.

2.2 掏煤裝備

胡底煤礦3號(hào)煤層軟分層水力沖孔掏煤試驗(yàn)主要設(shè)備有：鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、新型高壓密封旋轉(zhuǎn)裝置、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。

2.3 水力沖孔掏煤工藝

1) 采用高壓密封水力沖孔鉆桿(D73 mm)、高低壓轉(zhuǎn)換鉆頭(D133 mm)、高壓水泵和靜壓供水管設(shè)備，施工水力沖孔試驗(yàn)孔。

2) 穿層鉆孔施工完成，啟動(dòng)乳化液泵，壓力逐漸遞增，觀察出煤量，待出煤量達(dá)到峰值保持泵壓不動(dòng)，后撤鉆桿進(jìn)行水力沖孔掏煤作業(yè)，記錄沖孔壓力、流量參數(shù)、時(shí)間。

3) 待掏煤鉆頭進(jìn)入煤層底板，出現(xiàn)返清水現(xiàn)象，關(guān)停水泵、進(jìn)水閥門(mén)，撤出鉆桿結(jié)束掏煤。

4) 卸下防噴裝置，實(shí)施穿層孔封孔，連接瓦斯抽采管道，安裝抽采參數(shù)測(cè)定孔板，監(jiān)測(cè)瓦斯抽采濃度。

5) 水力沖孔掏煤施工結(jié)束，清理沉淀池中煤泥，裝入編織袋標(biāo)定，使用鏟車(chē)或帶式輸送機(jī)送出礦井。

3 水力沖孔掏煤試驗(yàn)方案

掏煤間距設(shè)置為5 m，考察水力沖孔掏煤效果。選取試驗(yàn)鉆孔10個(gè)，其中1號(hào)、5號(hào)、12號(hào)、16號(hào)為掏煤孔，1號(hào)和5號(hào)孔布置于1305底抽巷東幫，12號(hào)和16號(hào)孔布置于1305底抽巷西幫，東、西幫掏煤孔呈對(duì)稱(chēng)布置。試驗(yàn)采用的水射流掏煤壓力為16～28 MPa.

表1 鉆孔施工參數(shù)

4 水力沖孔掏煤效果考察

4.1 掏煤量考察

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中5-5號(hào)鉆孔因鉆機(jī)漏油而停止工作，未完成掏煤工作量。6-6號(hào)鉆孔施工過(guò)程鉆機(jī)偏行，未出軟煤。0-5號(hào)鉆孔因施工停水未完成掏煤。剩余7個(gè)鉆孔掏煤工作正常。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)圖1.水射流壓力22 MPa時(shí)掏煤效率最佳，當(dāng)壓力小于16～22 MPa時(shí)，掏煤量隨著射流壓力增加而增加；當(dāng)壓力大于22 MPa時(shí)，掏煤量隨著射流壓力增加而減少。

圖1 掏煤試驗(yàn)設(shè)備

造成這一試驗(yàn)結(jié)果的主要原因是用于掏煤試驗(yàn)的高壓水泵為定量泵，水射流的流量隨著壓力增加而減小，當(dāng)流量小于臨界值時(shí)，水射流掏煤流量開(kāi)始減少。各鉆孔掏煤結(jié)果如表2所示。

表2 鉆孔出煤量分析

4.2 效果考察

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水力沖孔掏煤在胡底煤礦試驗(yàn)取得良好效果，掏煤后瓦斯抽采效率增加。該技術(shù)可有效解決胡底煤礦低透性突出煤層瓦斯難抽放等問(wèn)題。水力定向掏軟煤后，掏煤鉆孔瓦斯抽采濃度由原來(lái)的20%～40%上升至40%～60%，掏煤鉆孔平均瓦斯抽采量由0.03 m3/d上升至1.07 m3/d.掏煤鉆孔濃度及周?chē)鷮?duì)比孔濃度對(duì)比如圖2所示。

圖2 掏煤鉆孔濃度及周?chē)鷮?duì)比孔濃度對(duì)比

13052煤巷掘進(jìn)沒(méi)有實(shí)施水力沖孔掏煤，13053煤巷掘進(jìn)實(shí)施水力沖孔掏煤，掘進(jìn)效率對(duì)比如圖3所示。

圖3 煤巷掘進(jìn)效率對(duì)比

實(shí)施水力沖孔掏煤技術(shù)前，1305底抽巷采用普通鉆機(jī)施工穿層孔進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采效率低下、抽采周期長(zhǎng)，消突效果不明顯，影響煤巷回采掘進(jìn)效率。水力沖孔掏煤后，煤層表現(xiàn)良好的區(qū)域卸壓消突效果，煤層充分卸壓消突，煤巷掘進(jìn)效率提高了1倍以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 胡底煤礦3號(hào)煤層軟分層作為本煤層保護(hù)層，利用穿層鉆孔高壓水射流技術(shù)對(duì)軟分層進(jìn)行掏煤，當(dāng)壓力達(dá)到24 MPa時(shí)水射流掏煤效率較高。

2) 采用水力沖孔掏煤軟分層后，煤層實(shí)現(xiàn)充分卸壓，達(dá)到煤層消突目的，瓦斯抽采濃度提高60%以上，煤巷掘進(jìn)效率提高1倍以上。

3) 胡底煤礦3號(hào)煤層的軟分層作為本煤層保護(hù)層，利用穿層鉆孔高壓水射流對(duì)軟分層進(jìn)行掏煤開(kāi)采，能夠以最少的工程成本和最短的時(shí)間取得保護(hù)層開(kāi)采的效果。