低透氣性煤層增透技術的探討

摘要：在低透氣性突出煤層煤巷掘進工作面，瓦斯超限、掘進速度緩慢、掘進成本高及煤與瓦斯突出的危險性隨時都可能發生。為了解決這一系列問題，本文結合松軟低透氣性煤層問題背景，從打鉆的角度，結合變孔徑掏穴卸壓技術進行了低透氣性突出煤層強化增透的技術研究。研究表明：應用變孔徑的鉆孔卸壓增透技術，通過對已施工好的下向穿層鉆孔實施掏穴擴孔后，實際鉆進出煤量相應增加，鉆孔的卸壓影響范圍增大，鉆孔周圍的煤體變形和透氣性增大，抽采瓦斯效果顯著提高，值得在低透氣性高瓦斯突出煤層消突實踐中推廣應用。

關鍵詞：增透 卸壓 突出煤層

一、問題背景

近年來，煤炭開采深度逐漸加大。對于地應力大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高、透氣性差的深部煤層，煤與瓦斯突出危險性較大；為防止煤與瓦斯突出，揭煤前，必須首先采取瓦斯抽放、瓦斯排放等措施來消突。但對于透氣性差的突出煤層，單純進行瓦斯抽放，效果差，抽放時間長，增加揭煤工期和費用。

用鉆孔抽放煤層瓦斯是目前國內常用而有效的方法，具有施工速度快，鉆場布置機動靈活等特點，但由于鉆孔直徑小，孔壁產生的裂隙小，抽放效果不如巷道抽放好。通過加大鉆孔的直徑和數量，提高孔口抽放負壓，可以彌補后者的不足，但必須有一整套適合我國煤礦鉆孔抽放瓦斯的裝備，才能達到理想的抽放效果。

影響煤的透氣性的因素有：

（1）煤的孔隙結構。瓦斯在煤中的流動狀態取決于煤的空隙直徑，直徑在0.1～1微米的中孔，構成瓦斯緩慢層流滲透區；直徑1～100微米的大孔，構成速度較快的層流滲透區；直徑0.01厘米至更大的肉眼可見的孔隙和裂隙，構成層流與紊流的混合滲透區，這類孔隙在煤的總孔隙中占的比重越大，則其滲透性能越好。

（2）煤的裂隙。地質構造的變動或采掘時的影響，煤層的原生構造遭到破壞而生成新的裂隙和斷裂，致使煤的滲透性增大。

（3）地應力。煤承受載荷時滲透性能降低，這是由于煤的裂隙和孔隙縮小和閉合所致；卸除載荷時則相反。煤層采掘時，由于集中應力的影響，煤體壓縮變形，孔隙率降低，影響瓦斯滲透；反之，因卸壓作用，孔隙和裂隙張開擴大，煤體伸張變形，同時還將生成新的裂隙，滲透率就會增大，利于瓦斯滲透。

（4）煤的水分。煤被水濕潤后，由于水分占據了煤的孔隙，滲透率降低，阻礙瓦斯流動，滲透率降低的程度與煤的水分大小有關。

二、穿層鉆孔煤層段變孔徑掏穴卸壓增透強化抽采瓦斯技術

消突效果主要取決于預抽瓦斯效果，透氣性越高，預抽瓦斯效果越好。穿層鉆孔施工后在煤體中形成空洞，鉆孔周圍煤體在地應力的作用下發生位移，產生裂隙，促使煤體卸壓，局部透氣性提高。鉆孔出煤量可以直觀地反映煤體卸壓程度，出煤量越大，影響范圍越大，卸壓效果越好。

煤層段鉆孔掏穴施工工藝：

（1）更換鉆頭。鉆孔均采用壓風排渣鉆進（移動空壓機供風，風壓為1～1.2MPa）。先使用€%O133mm 鉆頭穿過煤層進入底板0. 5m，準確記錄見止煤位置； 起鉆在孔外更換擴孔鉆頭，并確保擴孔鉆頭在壓風作用下能正常打開。

（2）擴孔鉆進。施工前，待壓風全部打開，孔口瓦斯濃度≤0. 5%時，方可開始旋轉鉆進施工。開始擴孔鉆進前，先把擴孔鉆頭不帶風送入孔內見煤處100mm 以上，然后緩慢開啟壓力風，鉆桿只旋轉不給進，待擴孔鉆頭雙翼完全打開后，方可正常擴孔鉆進。擴孔期間，應輕壓慢轉鉆進，確保煤屑充分排至孔外，每擴孔鉆進1～2m，必須用瓦斯便攜儀檢查孔口風排瓦斯濃度；擴孔鉆頭鉆至煤層位置時，保持孔內壓風，待孔內煤屑排凈后方可撤鉆。

（3）撤鉆。撤鉆前，先停止旋轉，關閉壓風，待雙翼鉆頭復位后，方可緩慢撤鉆。

在不同直徑鉆頭穿煤期間，記錄煤孔長度，統計掏出煤量，計算每米掏出煤量（煤密度按1.4€？03 kg/m3 計算） ，通過比較掏出煤量大小判定掏煤效果。在煤層中施工穿層鉆孔，施工前煤體受壓，鉆孔鉆進后，實際出煤量比鉆孔理論出煤量大；擴孔后，鉆孔出煤量顯著增加，如鉆孔C和鉆孔D，分別增加了2.43倍和1.35倍； 由于煤的不均質性，在煤體相對松軟區域，鉆孔出煤量大大增加，如鉆孔D和鉆孔A相比，€%O133mm 鉆孔D 實際出煤量是鉆孔A 的5.31倍，而€%O220mm 鉆孔D實際出煤量是鉆孔A 的3. 98倍，即隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔出煤量增大的倍數呈降低趨勢，鉆孔卸壓的均勻性相對要好。因此，實施擴孔掏穴后，掏穴鉆孔對周圍煤體的擾動增加，鉆孔周圍煤體的變形增大，透氣性提高，卸壓更加充分，有利于提高鉆孔預抽瓦斯的消突效果。

隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔出煤量增大的倍數呈降低趨勢，也就是說鉆孔孔徑并不是越大約好，為便于比較，將擴孔后的出煤量折算為平均孔徑。試驗期間共考察了6 個€%O113mm 鉆孔、10 個€%O133mm 鉆孔和12 個€%O220mm 掏穴鉆孔的排出煤量。顧北礦6-2煤具體條件，當孔徑由113mm 提高到133mm 時，隨著鉆孔孔徑的增加，成孔后折算的平均孔徑對比施工孔徑由1.42 倍增大到1.76 倍；當孔徑由133mm提高到220mm時，成孔后鉆孔的平均孔徑對比施工孔徑由1. 76 倍降為1.46倍。表明： 當鉆孔直徑較小時，提高孔徑對鉆孔周圍卸壓范圍的增大較為明顯，當鉆孔直徑增大到一定時，鉆孔周圍卸壓范圍增大的趨勢將趨于緩和。因此，現場施工時，應根據鉆孔施工難度、成本和速度等綜合因素合理優化確定擴孔孔徑。

（作者單位：義煤集團孟津煤礦有限責任公司）