2 號煤層大采深突出危險(xiǎn)區(qū)“一穿兩探”瓦斯治理技術(shù)研究

于洪喆

（冀中能源峰峰集團(tuán) 邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦，河北 邯鄲 056500）

冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦，為煤與瓦斯突出礦井。礦井采取的主要區(qū)域防突措施為開采4 號煤層作為2 號煤層的保護(hù)層。隨著礦井進(jìn)入深部開采后，由于4 號煤層不可采，必須采取預(yù)抽2 號煤層瓦斯的方法作為主要區(qū)域防突措施。該煤層瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、煤體孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，煤層瓦斯抽采難度大，普通鉆孔抽采效率低，而且鉆孔施工工程量大，難以滿足礦井安全生產(chǎn)的需要，導(dǎo)致礦井采掘接替緊張。因此，九龍礦在15249N 工作面掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤┐鱼@孔超高壓水力沖孔卸壓增透試驗(yàn)，即：“一穿兩探”瓦斯治理技術(shù)，增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果。

1 概 況

1.1 工作面概況

15249N 工作面位于北三采區(qū)下部，南部為北五采區(qū)3 條下山，西北部為北二下部疏水巷，東部及東南部為F40 斷層，北部為北三采區(qū)3 條下山。工作面地面標(biāo)高+127.6～+136.8m，井下標(biāo)高-730—-835 m。15249N 工作面設(shè)計(jì)走向長度841 m（平距），設(shè)計(jì)傾斜長度130 m（平距），煤層傾角16°～22°。

1.2 工作面煤層頂?shù)装鍘r性

15249N 煤層頂?shù)装鍘r性特征情況見表1。

表1 15249N 煤層頂?shù)装鍘r性特征Table 1 15249N coal seam roof and floor lithology characteristics

1.3 煤層瓦斯情況

根據(jù)煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司出具《冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦2 號煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測報(bào)告》，15249N 工作面位于九龍礦第V 地質(zhì)單元，屬于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域。第V 地質(zhì)單元原始瓦斯含量為6.04～7.79 m3/t，瓦斯壓力為0.66 MPa，屬于Ⅲ類不易自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

2 15249N 工作面防突措施

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》 第六十條，區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩類。

采取開采15449N 保護(hù)層工作面作為15249N工作面區(qū)域防突措施。15449N 工作面自2019 年7月份開始回采，由于推采過程中頻繁壓架等原因，對15449N 工作面進(jìn)行了改造，局部留設(shè)4 號煤層煤柱。15449N 工作面自2020 年1 月份經(jīng)改造后繼續(xù)回采，由于推采過程中仍有壓架現(xiàn)象不能保證正常安全生產(chǎn)，經(jīng)研究決定，15449N 工作面不再進(jìn)行推采，并對15249N 工作面設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改。為此15249N 掘進(jìn)工作面對未開采4 號煤層保護(hù)層的區(qū)域采取開采保護(hù)層和穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。其中15249N 上順槽（未保護(hù)段）、下順槽、切眼采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。

3 “一穿”增透綜合瓦斯抽采技術(shù)主要技術(shù)內(nèi)容及特點(diǎn)

3.1 “鉆-沖一體化”增透技術(shù)工藝

為確保2 號煤層瓦斯的高效抽采，抽采技術(shù)需針對性破解控制煤體瓦斯?jié)B流的主要因素，在鉆孔施工階段，選擇“鉆-沖一體化”技術(shù)對煤體實(shí)施增透，并優(yōu)化了水射流沖孔的工藝參數(shù)，提高增透效率?！般@-沖一體化”技術(shù)設(shè)備主要由高壓乳化液泵站、液壓控制系統(tǒng)以及鉆機(jī)等3 大部分組成，配備以高壓水辮、高壓密封鉆桿、壓控鉆沖一體化鉆頭、高壓射流噴嘴等關(guān)鍵部件，使其能夠達(dá)到煤體增透效果，提高瓦斯抽采效率。

3.2 高效瓦斯抽采技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

影響水力沖孔增透效果的沖孔參數(shù)主要包括單孔出煤量、沖孔壓力、封孔方式等。選擇合適的沖孔參數(shù)，對煤體增透效果以及后期瓦斯抽采效率有顯著的影響。

通過水力沖孔參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)確定水力沖孔影響半徑與最優(yōu)沖孔參數(shù)后，根據(jù)測試結(jié)果布置后續(xù)水力沖孔瓦斯抽采鉆孔，并對沖孔之后的鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行考察，以達(dá)到事半功倍的效果。

為確定水力沖孔最佳參數(shù)，改進(jìn)鉆孔封孔方式，提高區(qū)域瓦斯治理水平，進(jìn)行了3 項(xiàng)基本參數(shù)測試，分別包括水力沖孔有效半徑測試、最佳沖孔參數(shù)測試及封孔優(yōu)化試驗(yàn)。通過此項(xiàng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定最佳沖孔參數(shù)后，再設(shè)計(jì)一套最佳鉆孔布置方案，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用效果考察。

3.2.1 水力沖孔有效影響半徑優(yōu)化

通過測試，煤層原始瓦斯流量較低，普遍在0.1～0.3 m3/h，沖孔之后考察孔瓦斯涌出量均有了不同程度的增加，最高可達(dá)0.45 m3/h。隨著沖孔鉆孔出煤量增加和鉆孔的有效半徑增加，出煤量從1 t/m 增加至1.2 t/m 時(shí)，鉆孔的有效影響范圍沒有明顯的增加，若要繼續(xù)增加沖孔鉆孔有效影響范圍，便需要大幅度提高單孔出煤量，工作量提升太大，且收益較小。因此判斷最佳鉆孔出煤量為1 t/m，其對應(yīng)的影響范圍為6 m。在15249N 的上下順槽施工水力沖孔作業(yè)時(shí)，當(dāng)鉆孔出煤量為1 t/m 時(shí)，沖孔鉆孔間距可以設(shè)為6 m。但巷道掘進(jìn)前方出現(xiàn)背斜、斷層等，仍需適量增加鉆孔出煤量或減小鉆孔間距，以保證掘進(jìn)作業(yè)的安全施工（圖1）。

圖1 出煤量1.0 t/m條件下考察孔流量變化Fig.1 The change of pore flowrate was investigated under the condition of 1.0 t/m coal output

3.2.2 水力沖孔參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)沖孔壓力提高時(shí)，煤體破碎效率提高，可縮短作業(yè)時(shí)間。沖孔壓力為10 MPa 時(shí)，平均沖孔耗時(shí)為6.4 h，考慮到一個(gè)工作班次為8 h，去掉從地面到工作面來回消耗的估算時(shí)間3 h，一個(gè)工作班次無法完整施工完成一個(gè)沖孔鉆孔，需要連續(xù)兩個(gè)班次才能完成一個(gè)沖孔鉆孔的作業(yè)，工作效率較低；當(dāng)沖孔壓力提升至15 MPa 時(shí)，平均沖孔耗時(shí)為4.55 h，沖孔耗時(shí)降低了28.9%，能夠在一個(gè)班次內(nèi)完整完成一個(gè)沖孔鉆孔的施工，有效提高了作業(yè)效率；而當(dāng)沖孔壓力從15 MPa 提高到20 MPa時(shí)，平均沖孔耗時(shí)為4.28 h，只降低了5.9%，這時(shí)由于沖孔壓力過高，出煤量大，容易發(fā)生卡鉆、抱鉆等故障，對作業(yè)效率的提升效果并不明顯，反而會縮短鉆桿使用壽命。同時(shí)，將水壓設(shè)置過大，對巷道的供水要求也隨之提高，不利于人力、物資等有效利用。因此，判斷水力沖孔最優(yōu)水壓為15 MPa。不同沖孔壓力條件下沖孔耗時(shí)見表2。

表2 不同沖孔壓力條件下沖孔耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of punching time under different punching pressure conditions

3.2.3 封孔方式優(yōu)化

在瓦斯抽采作業(yè)過程中，隨著時(shí)間的推移，鉆孔瓦斯?jié)舛缺厝粫饾u衰減。優(yōu)化鉆孔封孔效果，可以有效降低瓦斯?jié)舛人p速率，提高瓦斯抽采效果。因此，將鉆孔采用“聚氨酯封孔”工藝改成了“兩堵一注式封孔”工藝，鉆孔采用該封孔工藝后，減少了鉆孔封堵不嚴(yán)、漏氣現(xiàn)象，大大提高了瓦斯抽采濃度，鉆孔瓦斯?jié)舛人p比例下降了22.1%，“兩堵一注式封孔”工藝取得了明顯效果（圖2、圖3）。

圖2 “兩堵一注式封孔”工藝鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖Fig.2 Gas extraction concentration curve of drilling hole in'two plugging and one grouting sealing'process

圖3 “聚氨酯封孔”工藝鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖Fig.3 Gas extraction concentration curve of drilling hole in'two plugging and one grouting sealing'process

3.3 水力沖孔鉆孔布置方案及效果

3.3.1 水力沖孔鉆孔布置方案

根據(jù)上述測試試驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)沖孔參數(shù)，出煤量1 t/m，沖孔水壓15 MPa，并采用兩堵一注式封孔工藝封孔。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鉆孔布置方式，將沖孔鉆孔錯(cuò)位布置，中間插入普通鉆孔，如圖4 所示。從圖4 中可看出，各個(gè)沖孔鉆孔有效影響范圍互相疊加，不存在“空白帶”，增加了煤層滲透率，加速煤體內(nèi)的瓦斯釋放，從而提高了瓦斯抽采效果，消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，確保了安全生產(chǎn)。

圖4 15249N底抽巷沖孔布置示意Fig.4 15249N bottom drainage roadway punching layout diagram

3.3.2 水力沖孔增透應(yīng)用效果

沖孔鉆孔完成沖孔作業(yè)后，該鉆孔本身瓦斯抽采效果必然得到提高，但是在沖孔鉆孔中間間隔布置的普通抽采鉆孔的瓦斯抽采效果是否受到影響，還有待考察。因此，為研究水力沖孔對周圍普通抽采鉆孔的影響，現(xiàn)場實(shí)施過程中觀測了第1 組、2組中普通鉆孔在水力沖孔前后濃度的變化情況，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水力沖孔對普通抽采鉆孔的影響Fig.5 The influence of hydraulic punching on ordinary extraction boreholes

普通鉆孔瓦斯抽采濃度差異較大，最小濃度42%，最高達(dá)85%。水力沖孔后，沖孔鉆孔周圍普通抽采鉆孔濃度都有明顯的提升，最高濃度達(dá)到了95%，其中1 組的瓦斯抽采濃度平均增加了9.63%，2 組的瓦斯抽采濃度平均增加了10.99%。沖孔前后鉆孔瓦斯抽采濃度變化如圖6 所示。

圖6 沖孔前后鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖Fig.6 Change of gas extraction concentration before and after punching

同時(shí)，對已沖孔的1-11 組鉆孔在沖孔當(dāng)天施工前后濃度的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明沖孔當(dāng)天受高壓水力沖孔影響，鉆孔瓦斯?jié)舛榷加兴嵘?，最大濃度增長率達(dá)到了147%，平均增長率為15.7%。隨著瓦斯抽采的進(jìn)行，煤體進(jìn)一步運(yùn)移、流變，煤體裂隙會逐漸發(fā)育、擴(kuò)展，瓦斯抽采流量、濃度會逐步增大。

4 “兩探”主要技術(shù)特點(diǎn)

“兩探”即在采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施的基礎(chǔ)上，在巷道掘進(jìn)期間再采取施工長、短前探鉆孔，進(jìn)一步增加瓦斯釋放。首先使用大功率液壓鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面迎頭施工11 個(gè)孔深70 m 的前探鉆孔，每循環(huán)巷道掘進(jìn)進(jìn)尺不能超過55 m，保證每掘進(jìn)循環(huán)留有不小于15 m 前探鉆孔超前距。工作面正常掘進(jìn)期間再利用檢修班次在掘進(jìn)工作面迎頭施工不少于10 個(gè)孔深不小于10 m的前探鉆孔。通過長、短前探鉆孔兩次探測，即探測清楚掘進(jìn)前方地質(zhì)構(gòu)造，又能觀察瓦斯突出預(yù)兆及瓦斯?jié)舛茸兓闆r。

5 “一穿兩探”技術(shù)應(yīng)用效果

（1）優(yōu)化了沖孔鉆孔技術(shù)參數(shù)。優(yōu)化了施工工藝與相關(guān)參數(shù)，選定最優(yōu)沖孔出煤量為1 t/m，其對應(yīng)的影響范圍為6 m，水力沖孔最優(yōu)水壓為15 MPa，并設(shè)計(jì)了最優(yōu)鉆孔布置方案。

（2）改進(jìn)鉆孔封孔方式。使用“聚氨酯封孔”工藝進(jìn)行封孔，鉆孔的瓦斯抽采濃度下降較快，抽采30 d 后，平均抽采濃度從65%下降到30%；而采用“兩堵一注式封孔”工藝封孔，鉆孔瓦斯抽采濃度下降幅度較低，抽采30 d 后，平均抽采濃度只下降到50%。相較于“聚氨酯封孔”工藝封孔，“兩堵一注式封孔”工藝封孔使瓦斯抽采濃度有了明顯的提高，衰減比例下降了22.1%。

（3）提高了瓦斯抽采效果。通過對15249 上、下巷瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，在未采用“一穿兩探”瓦斯抽采技術(shù)前，瓦斯抽采濃度整體趨勢逐漸下降，抽采30 d，鉆孔濃度多低于50%；采用“一穿兩探”瓦斯抽采技術(shù)后，鉆孔抽采濃度急劇增加，30 d 內(nèi)普遍提高20%～50%，瓦斯?jié)舛乳L時(shí)間維持在較高水平，瓦斯抽采率提高30%以上。同時(shí)，通過優(yōu)化鉆孔布置方式，減少預(yù)抽鉆孔數(shù)量50%。

（4）“一穿兩探”縮短了15249N 區(qū)域瓦斯治理時(shí)間，加快煤巷掘進(jìn)速度，保證了工作面正常銜接。工作面由原來斷檔3 個(gè)月到現(xiàn)在的正常銜接，按每月生產(chǎn)單位工資80 萬元計(jì)算，則節(jié)省工資費(fèi)用3×80 萬元/月=240（萬元）。

（5）15249N 工作面采取“一穿兩探”瓦斯治理措施，增加了瓦斯抽采量，抽出的瓦斯直接輸送到地面的瓦斯發(fā)電廠發(fā)電，每天增加發(fā)電量約1 萬度，每度電費(fèi)0.6 元計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)1×0.6×365=219（萬元）。該項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益459 萬元。

6 結(jié)語

通過采取“一穿兩探”瓦斯治理技術(shù)措施，使預(yù)抽區(qū)域煤層瓦斯含量降低至4 m3/t 以下，瓦斯壓力降到了0.23 MPa。使用綜掘機(jī)掘進(jìn)，節(jié)省了爆破、撤人等待時(shí)間，提高了15249N 工作面掘進(jìn)效率，單日進(jìn)尺由4 m/d 提高到了7.2 m/d，生產(chǎn)期間回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤墒冀K在0.3%以下，提前3 個(gè)月貫通，有效緩解了礦井采掘接替緊張局面，確保了安全生產(chǎn)。