高壓水射流擴孔增透技術在低透氣性松軟突出煤層快速消突中的應用

文/羅虎 王強

煤與瓦斯突出礦井煤巷掘進工作面在煤層底板施工巖巷，并施工穿層鉆孔對掘進工作面進行條帶消突，往往存在抽采時間長、抽采不徹底等現象，造成掘進進尺上不去，制約生產。

高壓水射流鉆擴一體化擴孔是一種提高鉆孔瓦斯抽采效率的技術。通過在穿層鉆孔內利用高壓水射流沖擊煤體，沖出若干直徑較大的空洞，沖孔過程中排出大量的瓦斯和一定數量的煤炭，造成鉆孔兩幫和前方煤體充分卸壓，提高煤層瓦斯滲透率，大幅度釋放瓦斯，在煤體中形成一定的卸壓區域，從而破壞煤體原應力平衡狀態，孔洞周圍煤體向孔洞方向發生大幅度位移，促使應力狀態重新分布，集中應力帶前移，有效應力降低，為突出煤層掘進工作面快速掘進提供了有利條件。

一、高壓水射流擴孔增透技術及穿層鉆孔工作面概況

1.高壓水射流擴孔增透技術

高壓水射流切縫技術是利用高壓水流通過半徑為0.7～0.8mm的噴射孔，其水流速度可達到3個馬赫，利用足夠大的沖擊力沖擊巖石煤體，對其產生物理破壞從而達到切割巖石的作用。高壓水射流破巖機理是，射流沖擊所產生的拉應力大于巖石抗拉強度時，巖石會發生破壞形成微小裂縫，水流侵入新生裂縫后會進一步擴展延伸。這樣在高壓水射流作用下所形成的裂縫，極大地提高了煤層的通透性、瓦斯的抽放效率和掘進速度，從而做到抽、掘、采平衡。

高壓水射流擴孔增透技術的優點：一是可使高壓液體能量只作用于一個點或極小面積上，破巖效率高；二是工作時不存在裝備磨損，避免產生火花；三是高壓水流沖擊巖石后會產生水霧，可有效地減少空氣中細小顆粒的含量。

2.穿層鉆孔工作面概況

912風巷位于東翼一水平采區，下方為一采區9煤底抽巷，距離 912風巷法距為 18～43m，912風巷掘進期間采用底抽巷穿層鉆孔預抽煤層條帶區域綜合防突措施，鉆孔控制到巷道兩幫輪廓線外15m，根據重慶煤科院對一采區9煤抽采半徑考察報告，該區域9煤31、60、90天原始抽采半徑分別為2.4、2.6、2.7m， 鉆孔終孔點間距按5.4*5.4布置。

二、低透氣性松軟突出煤層常規抽采所存在的問題

9煤層堅固性系數為0.16，透氣性系數為0.0429，屬于松軟低透氣性煤層，風巷在掘進期間采用底抽巷穿層鉆孔預抽煤層條帶區域綜合防突措施，因9煤層透氣性差，預抽煤層瓦斯必然不均衡，造成掘進區域內局部盲點，防突管理及瓦斯治理問題嚴重制約掘進工作面的進尺，在遇到瓦斯異常區時，需要停頭在底抽巷補充施工穿層鉆孔繼續預抽或在迎頭采取排放鉆孔等措施，平均進尺量僅有90m/月。

三、高壓水射流擴孔增透技術的具體應用

鑒于以上情況，為了避免抽采不均衡，消除掘進區域瓦斯治理盲點，在底抽巷使用高壓水射流擴孔增透技術。

1.鉆孔設計

在底抽巷施工6個穿層鉆孔，鉆孔見煤點網格為10m×10m，鉆孔孔徑為 Φ108mm，方位角 125.2°～217.5°，傾角 59.1°～80.6°，孔深 36.6～45.2m。

2.工藝流程

高壓水射流擴孔用于對已施工的鉆孔進行擴孔，因此，擴孔操作須在鉆孔打鉆完成之后進行。高壓水射流擴孔的工藝過程包括：

（1）先用SGZ-ⅢA鉆機按鉆孔設計參數施工至9煤層頂板0.5m，拔出鉆桿后，將鉆擴一體化中心鉆頭及連接的高壓水鉆桿送入孔內，并通過連接一定數量的高壓水鉆桿使其送入要求的深度。

（2）鉆桿的尾部采用高壓旋轉水尾與高壓管、高壓水泵相連（見下圖），設定高壓水泵初始擴孔壓力為12MPa，然后開動水泵，高壓水通過高壓管、高壓水鉆桿到鉆擴一體化中心鉆頭，噴嘴在旋轉的高壓鉆桿驅動下對鉆孔的孔壁進行旋轉切割，此時，可用人工或鉆機沿鉆孔軸向以適當的速度移動高壓水鉆桿開始擴孔作業，擴孔過程中，鉆桿鉆進速度不大于（0.05m/min），同時應加強監測鉆機周圍20m范圍內瓦斯涌出情況，當鉆孔具有噴孔威脅時，應適當降低鉆進速度（0.02～0.03m/min）。

高壓水射流鉆擴一體化擴孔工藝示意圖

（3）當鉆桿移動一定長度后，可暫停供水，增加或卸掉一根或幾根鉆桿，然后繼續進行擴孔。直到擴孔段的長度達到設計要求時，關掉高壓水，拔出高壓鉆桿和鉆擴一體化中心鉆頭。

（4）擴孔過程中，收集沖出的煤渣量，并做好記錄。

（5）重復以上擴孔步驟，對其他鉆孔進行擴孔。

四、應用效果分析

1.從瓦斯抽采流量分析

未采用高壓水射流卸壓增透工藝的考察鉆孔單孔初始瓦斯抽采量為50.74m3/d，合管抽采31天單孔累計瓦斯抽采量644.4m3；采用高壓水射流卸壓增透工藝的考察鉆孔單孔初始瓦斯抽采量為178.74m3/d，合管抽采31天單孔累計瓦斯抽采量1938.4m3。由此可見，單孔初始瓦斯抽采量同比增加2.52倍，合管抽采31天單孔累計瓦斯抽采量同比增加2倍，采用高壓水射流鉆擴一體化擴孔增透工藝使鉆擴瓦斯抽采量大幅提升。

2.從瓦斯抽采半徑分析

一采區9煤層底板穿層鉆孔31、60、90天原始抽采半徑分別為2.4、2.6、2.8m，鉆孔抽采90天后接近極限抽采量，極限抽采半徑為2.7m；底抽巷穿層鉆孔采用高壓水射流卸壓增透工藝擴孔后，31、60、90天瓦斯抽采半徑分別為4.3、4.5、4.5m，鉆孔抽采60天后接近極限抽采量，極限抽采半徑為4.5m。

五、總結

高壓水射流鉆擴一體化工藝技術使9煤層抽采半徑同比增加67%～72%，鉆場穿層鉆孔工程量降低25%，擴孔后鉆孔只需抽采60天即可達到極限4.5m抽采半徑，比擴孔前抽采時間縮短30%，工作面掘進進尺量由原來的平均90m/月提高到150m/月。