鶴煤三礦41 采區(qū)煤層增透與瓦斯抽采技術(shù)研究

尚有仕 祁樂

（鶴壁煤電股份有限公司第三煤礦，河南 鶴壁 458000）

隨著煤礦開采深度的加深，瓦斯治理的難度也不斷增加，面臨著大埋深煤層滲透性較低、瓦斯含量大、瓦斯抽采難度和瓦斯災(zāi)害潛能不斷增大。目前，防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的方法主要有預(yù)抽瓦斯、高壓注水、深孔控制爆破、淺孔松動(dòng)爆破、超前排放鉆孔等措施，都取得了一定的效果。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)煤層瓦斯增透技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，任仲久[1]針對(duì)如何提高余吾礦主采煤層卸壓增透，提出了煤層水力沖孔技術(shù)，并采用理論分析、室內(nèi)電鏡測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性驗(yàn)證相結(jié)合的方法，結(jié)果表明該技術(shù)有效提升了煤層卸壓增透效果，提高了礦井瓦斯抽采效率；李威良[2]針對(duì)如何提高永煤集團(tuán)車集煤礦的煤礦瓦斯抽采量，縮短瓦斯抽采時(shí)間，通過瓦斯機(jī)理研究和數(shù)值模擬軟件分析，在該礦采用了水力沖孔技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，采用水力沖孔技術(shù)后，瓦斯抽采效果明顯；郝從猛等[3]以貴州新田煤礦煤巷條帶瓦斯治理為工程背景，結(jié)合該礦地質(zhì)條件提出了水力沖壓卸壓增透技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用該技術(shù)后沖孔后的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了35%左右，瓦斯抽采純量提高了1.1～5.0 倍，大幅提升了礦井煤層瓦斯抽采效率。

以鶴煤三礦為代表的鶴壁煤田，其主采煤層為山西組二1 煤，煤層具有初始透氣性差、瓦斯含量高的特點(diǎn)，屬于煤與瓦斯突出礦井。該礦瓦斯治理實(shí)踐中，礦區(qū)內(nèi)無保護(hù)層可采，為快速降低瓦斯含量帶來了極大挑戰(zhàn)。該礦煤巷條帶治理的穿層鉆孔采用傳統(tǒng)的機(jī)械打鉆技術(shù)，治理區(qū)域存在煤層透氣性低、斷層等因素影響，造成瓦斯抽采效率較低，且有打鉆工程量繁重、煤層內(nèi)鉆孔布置密集度較高等缺點(diǎn)。為提高瓦斯預(yù)抽效果，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，決定在該礦4103 工作面下底板抽放巷作為試驗(yàn)地點(diǎn)開展水力沖孔煤層增透技術(shù)研究與應(yīng)用。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)大幅降低了煤層殘存瓦斯含量與壓力，提升了煤層瓦斯抽采效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)該礦采掘接替平衡和安全生產(chǎn)有重要意義[4-5]。

1 試驗(yàn)礦井及試驗(yàn)地點(diǎn)概況

鶴煤三礦1958 年12 月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a，核定生產(chǎn)能力為135 萬t/a。礦井位于鶴壁煤田中部，東西傾向?qū)?.1 km，南北走向長(zhǎng)5.5 km，井田面積14.88 km2，主采煤層為山西組二1 煤層。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角8°～48°，平均21°，屬于傾斜煤層，煤層透氣性系數(shù)為0.334～0.616 m2/（MPa2·d）。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量53.10 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量25.76 m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井。2010 年后，鶴煤三礦淺部資源逐漸枯竭，目前四水平的41 采區(qū)開采深度已達(dá)800 m，進(jìn)入深部開采階段，所采二1 煤平均煤厚為7.89 m。依據(jù)河南理工大學(xué)編制的瓦斯突出危險(xiǎn)性測(cè)定報(bào)告，41 采區(qū)初始瓦斯壓力為1.4 MPa，初始瓦斯含量為13.137 9 m3/t，由于四水平受322 背斜和321 向斜影響，41 采區(qū)內(nèi)伴生有大量正斷層。

4103 工作面下底板瓦斯抽采巷位于四水平南翼41 采區(qū)南部，北部為四水平南翼第一輔助回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，西部為四水平南翼回風(fēng)上山，東部為未開拓新區(qū)，地面標(biāo)高一般+200～+237 m，井下標(biāo)高一般-580～-690 m。目前該巷道已掘進(jìn)完畢，巷道頂板巖層依次為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、中粒砂巖，采用初噴漿+錨網(wǎng)支護(hù)，寬×高=5200 mm×3600 mm。該巷道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀變化大。根據(jù)底抽巷掘進(jìn)和已掌握地質(zhì)資料，采區(qū)內(nèi)將不可避免地受到斷層影響。因此，及時(shí)實(shí)施水力沖孔煤層增透技術(shù)等措施，治理煤層潛在突出危險(xiǎn)性是非常必要的[6-7]。

2 水力沖孔卸壓防突措施原理

在瓦斯突出機(jī)理探究中，動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生是煤層地應(yīng)力、瓦斯壓力和自身強(qiáng)度等因素綜合作用的結(jié)果。為達(dá)到采面快速投產(chǎn)要求，進(jìn)一步使用了消除集中地應(yīng)力、破壞煤層完整性的沖（擴(kuò)）孔措施。該項(xiàng)工藝中，當(dāng)鉆桿打入煤層深部，高壓水流經(jīng)鉆頭不斷沖擊周邊煤體，使煤層碎塊伴隨流水排出，形成環(huán)繞鉆孔的較大空穴，打破了原有地應(yīng)力和瓦斯的平衡狀態(tài)。除此之外，沖孔后的殘存水能有效濕潤(rùn)煤層，進(jìn)一步降低煤體力學(xué)強(qiáng)度，并增大自身變形量，有助于釋放所積攢的彈性能[8-9]。其增透原理如圖1。

圖1 水力沖孔的煤層增透原理

在水力沖孔工藝中，按照操作步驟分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：首先是鉆機(jī)在底抽巷實(shí)施的穿層鉆孔，孔底需到達(dá)煤層頂板0.5 m 深度；其次是鉆頭側(cè)向噴嘴的水射流步驟。沖孔時(shí)，首先啟動(dòng)高壓泵站并調(diào)節(jié)水壓至設(shè)計(jì)值10 MPa，隨后打開鉆頭側(cè)向噴嘴，高壓水伴隨鉆機(jī)退桿而不斷旋轉(zhuǎn)切割煤體（每米鉆孔切削時(shí)間不低于15 min），達(dá)到擴(kuò)大單孔破壞影響區(qū)的目的。

3 水力沖孔施工工藝及設(shè)備

3.1 水力沖孔施工設(shè)備及工序

4103 下底抽巷施工水力沖孔采用鉆機(jī)型號(hào)為ZDY7300LX，水力沖孔泵型號(hào)為BQWL315/16-XQ315/12 清水泵，篩管型號(hào)為Φ40 mm×2000 mm，封孔管規(guī)格型號(hào)為Φ50 mm×20 000 mm。鉆桿規(guī)格型號(hào)為Φ89 mm×1000 mm，鉆頭規(guī)格型號(hào)為Φ133 mm，使用“兩堵兩注”方式封孔。其水力沖孔工序如下：

1）準(zhǔn)備和穩(wěn)鉆。① 打鉆地點(diǎn)檢測(cè)瓦斯符合規(guī)定，巷道頂幫及支護(hù)完好，退路暢通。② 鉆機(jī)各部件完好、油箱油量符合規(guī)定。③ 鉆孔回風(fēng)側(cè)10 m 范圍內(nèi)，吊掛瓦斯傳感器，下風(fēng)側(cè)3 m 范圍內(nèi)，懸掛便攜式瓦斯報(bào)警儀。④ 正確安裝防噴裝置。⑤ 滅火器和黃土箱符合規(guī)定。⑥ 移動(dòng)鉆機(jī)到標(biāo)定鉆孔位置，標(biāo)定鉆孔位置符合設(shè)計(jì)要求。⑦ 按設(shè)計(jì)方位傾角對(duì)鉆機(jī)定位并二次確認(rèn)鉆孔符合規(guī)定。⑧ 對(duì)鉆機(jī)打壓柱將鉆機(jī)固定牢固。

2）打鉆。① 連接使用好各種管路。② 鉆機(jī)空載運(yùn)行正常，方可接上鉆桿、鉆頭及沖孔裝置，由司機(jī)操作開始試驗(yàn)鉆機(jī)運(yùn)行情況和沖孔設(shè)施是否正常使用，試驗(yàn)正常開始施工。③ 正確安裝防噴裝置后，排查鉆機(jī)及四周無隱患，確認(rèn)安全后開始鉆進(jìn)。

3）水力沖孔。① 再次確認(rèn)圍堰、高壓管路、壓力表連接可靠、沉淀池?zé)o煤粉、防噴孔裝置等正常使用符合規(guī)定。② 記錄好見煤深度和煤段長(zhǎng)度，穿煤見巖0.5 m 后，退至煤巖交界處開始沖孔或造穴。③ 開啟高壓泵進(jìn)行水力沖孔，沖孔壓力不小于10 MPa 或機(jī)械造穴不小于6 MPa 正常使用。④ 在每根鉆桿沖孔結(jié)束后，打開卸壓閘門，關(guān)閉高壓水閘門后方可接卸鉆桿。

4）沖孔計(jì)量。① 鉆孔煤量驗(yàn)收采用視頻驗(yàn)收方式。② 沖孔時(shí)施工人員向打鉆視頻監(jiān)控人員匯報(bào)，使用計(jì)量箱為計(jì)量工具，根據(jù)計(jì)量箱規(guī)格視頻監(jiān)控人員記錄沖孔時(shí)間及計(jì)量箱裝煤斗數(shù)情況。③ 單孔穿煤沖出煤量符合規(guī)定。

5）封孔注漿。① 施工人員根據(jù)實(shí)際見煤位置與鉆孔實(shí)際深度計(jì)算硬管直連長(zhǎng)度及篩管根數(shù)，按照封孔規(guī)定進(jìn)行封孔，孔壁外余硬管長(zhǎng)度小于0.5 m，方便連接帶抽。② 硬管與篩管之間連接及篩管與篩管邊頭連接都必須進(jìn)行抹膠操作，確保連接牢固。③ 封孔漿液水灰比例1:2，先注前后囊袋，再注中間注漿段，出漿頻率和穩(wěn)壓時(shí)間符合措施要求。

6）臨時(shí)帶抽，打鉆結(jié)束。① 當(dāng)班施工結(jié)束后，必須隨打隨封及臨時(shí)帶抽（臨時(shí)帶抽管與抽放管路連接兩端用卡箍綁扎牢固），嚴(yán)禁臨時(shí)插接，避免抽管脫落造成瓦斯異常。② 及時(shí)清理積水和雜物。③ 保養(yǎng)設(shè)備，做到設(shè)備整潔，配件齊全。

3.2 4103 工作面消突鉆孔布置

抽采鉆孔控制范圍為巷道輪廓線外15 m，4103下底抽巷傳統(tǒng)穿層鉆孔直徑為94 mm，平均孔深42.7 m，形成5 m×5 m 的矩陣形式。在2 組穿層鉆孔中布置1 組水力沖孔鉆場(chǎng)，采用這種間隔交替式布置方式能在一定程度上減少底抽巷的水力沖孔的工程量及沖孔時(shí)間，且由于水力沖孔半徑的有效影響范圍較大，這種布置方式并不會(huì)導(dǎo)致底抽巷條帶治理的空白帶。其中對(duì)于沖孔鉆孔，成孔直徑為500 mm，孔底進(jìn)入煤層頂板，但其布置方式與消突煤層條件密切相關(guān)。以揭露斷層消突為例，該位置瓦斯含量遠(yuǎn)超其他區(qū)域，參考三礦已有消突經(jīng)驗(yàn)，在所劃定消突區(qū)域，以4.9 m 為間隔布置水力沖孔，其瓦斯消突效果較好。41 采區(qū)煤層消突范圍與抽采鉆孔配置如圖2。

圖2 4103 工作面消突范圍與抽采鉆孔配置圖

4 4103 工作面下底抽巷水力沖孔技術(shù)應(yīng)用效果

4.1 煤層消突效果與瓦斯流量衰減規(guī)律

由于該礦四水平煤層透氣性較差，導(dǎo)致原采面瓦斯有效抽采半徑僅為2.98 m，對(duì)瓦斯流量衰減和擴(kuò)大鉆孔抽采范圍有不利影響。因此，參考瓦斯流量衰減方程，41 采區(qū)二1 煤層瓦斯流量衰減計(jì)算式[10]：

式中：Qt為當(dāng)日瓦斯流量，m3/min；Q0為抽采第一天的瓦斯流量；a為流量衰減系數(shù)，d-1；t為抽采時(shí)間，d。

對(duì)于41 采區(qū)煤層扇形消突區(qū)，受鉆進(jìn)仰角影響，各分段鉆孔長(zhǎng)度不一，需將各鉆孔所獲瓦斯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一單位—百米鉆孔瓦斯流量值?；诖?，將所獲瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，獲得流量衰減規(guī)律，其結(jié)果如圖3 和表1。

圖3 消突鉆孔內(nèi)瓦斯流量與煤層透氣性系數(shù)

表1 普通鉆孔與沖孔鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)擬合方程

鉆孔類型 擬合方程 瓦斯流量衰減系數(shù)y=0.048 8e-0.022x 0.022抽采鉆孔y=0.057 7e-0.033x 0.033 y=0.044 9e-0.018x 0.018 y=0.033e-0.016x 0.016沖孔鉆孔y=0.028 2e-0.014x 0.014 y=0.061 2e-0.003x 0.003

由表1 中數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可知，各類鉆孔對(duì)消除瓦斯含量有極大的促進(jìn)作用。對(duì)于普通鉆孔，4103下底抽巷內(nèi)瓦斯流量衰減系數(shù)為0.02～0.033 d-1，均值為0.021 d-1。對(duì)比水力沖孔鉆孔，瓦斯流量衰減系數(shù)更為均勻，其值更低，約為0.003 d-1。說明新工藝充分促進(jìn)了煤層裂隙擴(kuò)展，促使瓦斯從低透區(qū)向鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)移。

除瓦斯流量數(shù)據(jù)外，對(duì)于煤層防突效果的評(píng)估還包括瓦斯殘存壓力與含量等指標(biāo)。根據(jù)條帶治理任務(wù)相關(guān)要求，第一輪均為穿層鉆孔抽采，而未進(jìn)行水力沖孔。當(dāng)鉆孔抽采完畢，對(duì)消突煤層進(jìn)行取樣解吸工作。其結(jié)果表明，該區(qū)域煤層最大殘余瓦斯壓力0.34 MPa，最大殘余瓦斯含量11.42 m3/t。作為對(duì)比，預(yù)抽20 d 后，執(zhí)行第二輪區(qū)域防突措施并進(jìn)行水力沖孔。經(jīng)相同解吸實(shí)驗(yàn)，在觀察范圍內(nèi)，最大殘余瓦斯壓力0.26 MPa，瓦斯含量降低至6.23 m3/t。截至2023 年8 月，該段煤層最大殘余瓦斯壓力0.12 MPa，殘余瓦斯含量約4.87 m3/t。由此可知，41 采區(qū)煤層通過實(shí)施水力沖孔增透技術(shù)，不僅提高了瓦斯抽采效率，還達(dá)到快速降低瓦斯含量的目的，為礦井四水平的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

4.2 抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

當(dāng)進(jìn)入瓦斯抽采階段，游離態(tài)瓦斯都需經(jīng)抽采管路并網(wǎng)后匯入地面瓦斯發(fā)電站。在此過程中，鉆孔類型和抽采時(shí)間都會(huì)對(duì)管路內(nèi)瓦斯?jié)舛犬a(chǎn)生影響。為更好比較消突措施增益性，除煤層增透改良效果外，又進(jìn)行了抽采管路瓦斯?jié)舛葘?duì)比。因此，選擇臨近月份、不同鉆孔抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖4。

圖4 瓦斯抽采管路內(nèi)濃度變化

在瓦斯?jié)舛葓D中，選用2#、3#穿層鉆孔和21#、31#沖孔鉆孔作為對(duì)比。此時(shí)，普通抽采鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺３旨s43%，低于瓦斯抽采濃度55%平均值；觀察水力沖孔段煤層，此時(shí)抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛蕊@著高于普通鉆孔，濃度值約70%。鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)穩(wěn)定衰減的趨勢(shì)，但沖孔段的瓦斯?jié)舛热匀皇瞧胀ㄣ@孔的1.2 倍，該措施的長(zhǎng)期消突效果也得到驗(yàn)證。

由此可見，水力沖孔有效改變了煤層原有內(nèi)應(yīng)力，煤層破壞程度也更高，新增裂隙可誘導(dǎo)游離瓦斯的快速涌出，這是水力沖孔區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)高于普通鉆孔的原因。除此之外，沖孔裂隙也可連通至其他鉆孔的塑性破壞區(qū)，有助于深部瓦斯向鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)移。

4.3 水力沖孔有效影響半徑

為更好評(píng)判水力沖孔影響半徑，選取4103 工作面下底板抽放巷5 號(hào)鉆場(chǎng)分別布置1#觀察孔和1#水力沖孔、2#觀察孔和2#水力沖孔，如圖5，采用主動(dòng)壓力法測(cè)定該措施的影響范圍。

圖5 瓦斯抽采觀察孔與水力沖孔布置

當(dāng)高壓水流沖擊在煤體表面，持續(xù)的沖擊力會(huì)使受沖擊煤層內(nèi)部產(chǎn)生連續(xù)的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)沖孔繼續(xù)進(jìn)行，集中應(yīng)力超過煤層強(qiáng)度極限，煤體產(chǎn)生拉伸破壞，瓦斯快速向抽采孔轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致觀察孔內(nèi)壓力降低至零。由圖6 可知，1#和2#觀察孔的瓦斯壓力在沖孔30 min 后均明顯降低，說明1#和2#考察孔均布置在沖孔有效影響半徑內(nèi)，即水力沖孔有效影響半徑為7.5～8.0 m。

圖6 觀察孔內(nèi)瓦斯壓力隨沖孔時(shí)間變化

5 結(jié)論

1）實(shí)施水力沖孔增透技術(shù)，提高了煤層自身透氣性，達(dá)到快速降低瓦斯壓力和含量的目的，實(shí)現(xiàn)了瓦斯的快速抽采與煤巷的安全快速掘進(jìn)，提高了礦井生產(chǎn)效率。

2）采取穿層水力沖孔措施，使巷道內(nèi)煤體壓力得到充分卸壓，煤體釋放應(yīng)力的同時(shí)增加了煤層透氣性，使瓦斯充分釋放。對(duì)比水力沖孔鉆孔、普通抽采鉆孔內(nèi)瓦斯流量系數(shù)，前者瓦斯流量衰減系數(shù)更低，卸壓增透效果更好，后期（7 d 以后）水力沖孔內(nèi)瓦斯?jié)舛热钥杀３?0%～70%以上。

3）對(duì)比原有穿層瓦斯抽采措施，水力沖孔法效率更高，有效消突半徑快速擴(kuò)大至7.5～8.0 m，是原有措施的2.3 倍，瓦斯含量下降至安全限定值以下僅需8～10 d，大幅減少抽采消突所用時(shí)長(zhǎng)。