水排渣加劇噴孔在石門揭煤中的應用

魏 林

淮北礦業股份公司通防處，安徽淮北 235000

水排渣加劇噴孔在石門揭煤中的應用

魏 林

淮北礦業股份公司通防處，安徽淮北 235000

利用煤與瓦斯突出的本質是突出煤層中潛存的巨大能量突然超常規釋放這一理論，通過采用水排渣鉆進、風水交替沖煤掃孔加劇噴孔的方式來控制突出煤層的能量釋放和轉移，誘導煤體內瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，提高鉆孔抽采半徑和煤層透氣性，進而縮短石門揭煤瓦斯治理時間，達到安全快速揭煤的效果。

石門揭煤；水排渣；噴孔；能量釋放

0 引言

突出危險區石門揭煤是煤礦瓦斯防治的重點和難點，是突出災害的多發易發環節，也是突出危險性最高、突出強度最大、施工環節最多、管理難度最大、技術含量最高、瓦斯防治最關鍵的工程。淮北礦業在石門揭煤工序中，曾發生多起煤與瓦斯突出災害事故。近年來，雖不斷加大瓦斯災害治理，突出災害在一定程度上得到了遏制。但是按傳統的防治方法，揭穿每層強突出煤層前，均需預抽6個月左右，揭穿一般突出煤層前，需預抽3個月左右，嚴重制約了礦井建設速度。

1 突出危險煤層自然屬性與噴孔特征

煤與瓦斯突出的本質，是突出煤層中潛存的巨大能量突然超常規釋放；防突的實質，就是控制能量釋放或控制能量轉移。在鉆孔鉆進工程中適當加劇噴孔是控制能量釋放、轉移的一種方式，可以達到防治突出災害的目的。

突出危險煤層瓦斯含量高、壓力大、地應力大、吸附瓦斯解析速度快，煤體機械強度低、破碎嚴重，在鉆孔施工中常出現噴孔、噴瓦斯；噴孔強度與煤體破碎程度、瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層瓦斯解析速度、地應力相關，煤體越破碎、瓦斯含量越大、壓力越高、解析速度越快、地應力越大噴孔越嚴重。防突實踐還顯示，突出危險煤層鉆孔施工噴孔強度不僅與上述因素相關，還與鉆孔施工采用的排碴介質相關，用水作為排碴介質進行打鉆，噴孔強度更為猛烈。

2 突出煤層鉆進噴孔基本原理分析

隨著鉆具進入突出危險煤體并在煤體中前移，一方面，鉆頭前端剝離煤體鉆屑量突然增大，大量碎屑易阻礙排碴介質正常流動，使搬運能力下降；另一方面，剝離下的煤屑壓力降低，煤屑吸附瓦斯訊速解析成游離瓦斯；再一方面，隨鉆具在煤體中前移，孔周圍、孔底地應力下降，并向孔周、孔底轉遞，隨著地應力降低孔周及孔底煤體瓦斯必然快速解吸并向孔內運移。鉆屑、排碴介質、大量解吸瓦斯在孔內匯合形成一定壓力，并自孔底向孔口運移，當運移途徑不暢時，勢必形成集聚，當集聚能量達到足以克服鉆孔阻礙能力時，噴孔現象也就隨之發生了。

3 水排碴噴孔加劇原因分析

突出煤層透氣性系數小，大多大在0.001MD～10MD范圍，煤層透氣性能不僅與煤體本身物理力學性能相關，與煤體本身干、濕程度關系更為密切。根據突出煤層的干、濕煤樣透氣性系數分析研究結果，濕潤煤體透氣性能顯著下降，濕煤樣是干澡煤樣透氣性的十分之一。

突出危險煤層鉆進采用水排碴噴孔加劇，正是干、濕煤體透氣性顯著差異所導致。用水作為排碴介質時，水自鉆桿內部進入孔底，沿鉆桿外部與孔壁之間流出并沖刷搬運孔內鉆屑，水必然沿孔底、孔壁向孔外煤體滲透形成類似筆筒狀濕潤煤體，使緊鄰孔壁、孔底煤體機械強度、透氣性降低。孔周圍及孔底煤體受鉆進作用地應力降低，吸附瓦斯解析并向孔內滲透運移，至低透氣性筆筒狀濕潤煤體外側集聚，隨著時間延續集聚能量不斷增強，當其超過濕潤煤體抵抗能力時，筆筒狀濕潤煤體剝落進入孔內，筆筒狀濕潤煤體外封存的大量瓦斯迅速涌入孔內，噴孔也發生了。此現象循環往復，使濕潤煤壁一次次被沖破剝離，孔徑一次次被擴大，孔徑擴大使鉆孔卸壓范圍增大，卸壓范圍增大必然又增大瓦斯解析量，瓦斯涌出量增加又導致噴孔加劇。再一方面，孔徑擴大必然使得孔壁煤體穩定性降低、塌孔機率上升，卡鉆、抱鉆多發易發。卡鉆、抱鉆易使孔內集聚高壓瓦斯和水，當其能量足以沖破障礙時，強烈噴孔也就發生了。

4 實踐技術路線

噴孔對瓦斯防治鉆孔施工確實有一定的影響，但是噴孔實際上也是瓦斯和地應力的突然釋放。防突措施的目的，實際也就是消除待采掘地帶地應力和瓦斯壓力，如何利用突出煤層水排碴鉆進噴孔加劇這一屬性，實現利用突出煤層自然屬性與潛在的能量為瓦斯治理提供動力，可以從以下幾方面進行。

4.1 筆筒狀濕潤煤皮建造步驟

準備好沖煤掃孔管。突出煤層鉆進常因噴孔嚴重而采用壓風排碴，當鉆孔穿過煤層底板不小于0.5m后，改壓風排碴為水排碴，待返水色澤變淺后，拔出鉆具，隨即下設鋼質沖孔管。沖孔管徑根據鉆孔孔徑確定，鉆孔孔徑為94mm或108mm鉆孔，沖孔管前端6m～8m選擇硬質材料作為導向管，常選擇2寸厚壁鐵管，節與節之間用內外絲聯接，孔底端頭0.5m段打成花眼，端頭車成45°角；導向管后端連接硬質可變形高壓管，管口外端頭聯接三通接頭，并分別與壓風、高壓水管連接。

做好巖石段孔壁保護。若圍巖破碎，沖掃管下至孔底后隨即安裝孔口護壁管。護壁管選擇管徑為φ90 mm或φ75mmPE管材，護壁管長度視圍巖破碎情況確定，若圍巖破碎嚴重應下至煤層頂（底）板，護壁管下到位后，并對護壁管進行固管。

筆筒狀濕潤煤皮建造。通過沖孔管向孔內沖水，沖水壓力視孔深、煤體強度確定，一般不小于5MPa。啟動注水泵后，沖煤掃孔管由孔口向孔底迂回前行，沖凈孔內煤屑，至返水變清后，關閉沖水閘閥開啟壓風開關，自孔口向孔底迂回掃孔，直至沖干孔內積水停止。

4.2 降低濕潤煤皮透氣性能

沖孔采用循環水，以提高水的粘稠度，降低滲透能力，提高孔壁粘塑性，降低孔壁的透氣性。

4.3 降低濕潤煤皮機械強度

用高壓水沖孔，以實現削薄濕潤煤皮厚度，高壓水沖孔后應隨即換壓風掃孔，以降低水浸潤孔壁深度，實現降低孔壁濕潤煤皮厚度及機械強度，若鉆孔圍巖涌水或滲水，應根據水量情況間歇用壓風掃孔，盡可能消除孔內積水。

4.4 構建濕潤煤皮循環往復剝離條件

應根據瓦斯集聚沖破濕潤煤壁所需時間，確定沖煤掃孔間隔時間，沖孔、掃孔間隔時間應略大于瓦斯集聚沖破濕潤煤壁的時間。一般而言，鉆孔竣工初期、瓦斯放散初速度大涌出量高的區域、煤層破碎嚴重地帶，沖孔掃孔時間間隔短；反之，時間間隔應長。

4.5 仰孔施工工程實踐

在噴孔強烈區域施工仰孔時，采用壓風穿煤排碴，穿過煤層頂板后及時關閉壓風，開啟供水閘閥，間歇沖煤掃孔；當煤層噴孔強度中等時，應采用水力排碴穿煤；當煤層較堅硬時，應采用高壓水沖煤掃孔。運用以上方法，同樣可實現孔內煤皮循環往復剝離，工程實踐表明，上述方法同樣可提高抽采半徑和煤層透氣性，顯著提高治理效果。

5 結論

該技術利用突出煤層的屬性和潛在的能量為瓦斯防治提供動力的理論，采用水排渣鉆進、風水交替沖煤掃孔加劇噴孔的方式來控制能量釋放和轉移，誘導煤體內瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，擴大鉆孔排放影響范圍，進而縮短石門揭煤治理時間。目前已在淮北礦業石門瓦斯防治中得到了運用，實現安全快速揭穿突出煤層90余處，為采掘接替提供了時間保障，為新井早日投產節省了大量抽采時間。特別是在淮北礦業海孜煤礦新副井揭煤實踐中，安全快速揭穿了多層極松軟強突出煤層群，創集團公司揭穿煤層最深（千米深井），瓦斯壓力最大（4.5MPa），揭穿突出煤層最多（71、72、8、9），安全效果最好（消除了揭煤動力現象，消除了井筒遠距離爆破揭煤瓦斯超限）的新記錄。

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TD713

A

1674-6708（2012）69-0137-02

魏林，助理工程師，工作單位：安徽淮北礦業集團公司通防處