新景礦水力造穴快速掘進技術研究

摘 要：新景礦3#煤屬于突出煤層，早期的超前預抽措施嚴重影響了南五正巷的掘進速度，水力造穴措施的運用極大地提高了該巷的消突效果，使掘進速度相比早期提高了85%以上。

關鍵詞：突出煤層；水力造穴；消突；掘進速度

1 礦井概況

新景礦位于陽泉市區西部，井田東西長約10.5km，南北寬約8.5km，面積約為66.4km2。設計產量為600萬t/a，一水平設計高程+525m，二水平設計高程+490m。該井田共含煤19層，其中的3#煤層為穩定且全區可采煤層，煤質為優質無煙煤。2004年11月11日，位于3#煤層的7303工作面發生首次煤與瓦斯突出事故，突出煤70t，瓦斯11560m3，造成1人死亡。2005年經煤炭科學總院撫順研究院鑒定，新景礦3#煤層為突出煤層，礦井為突出礦井。在隨后的采掘過程中，3#煤層頻繁發生煤與瓦斯突出和瓦斯噴出現象，瓦斯涌出量通常在10m3/t以上，最大可達77.45m3/t。3#煤層透氣性系數為0.0957～0.5692m2/MPa2·d，基本屬于可以抽放煤層，但是抽放難度較大。

南五正巷位于+525m水平保安區，設計長度均為1570m，全巷沿3#煤頂板掘進，巷道凈高2.6m，寬5m，屬于突出危險性掘進工作面，在掘進過程中需實施超前預抽的防突措施，但是瓦斯抽采效果較差，消突時間長，通常需達10～15天，造成巷道掘進速度過低，每月進尺僅35m左右，嚴重影響了礦井正常的采掘接續。因此，急需一種實現該巷快速消突的技術來保證巷道按期完工。本文介紹了水力造穴技術在該巷的試驗應用，試驗結果證明水力造穴技術的應用對突出掘進工作面能夠起到快速消突的效果，提高巷道的進尺速度。

2 水力造穴機理

水力造穴是在原有鉆孔的基礎上，通過高壓水射流將鉆孔的煤壁進行破碎剝離，形成一段或者數段直徑遠大于初始鉆孔直徑的孔洞，俗稱水力沖孔。由于煤體的原始應力平衡得到破壞，造成煤體在孔洞方向發生位移，促使應力狀態重新分布，從而誘導煤體的次生裂隙發育。煤體中瓦斯的賦存與解析的平衡得到破壞，部分吸附瓦斯向游離瓦斯轉化，并通過裂隙進行運移排放。同時被高壓水浸泡的煤體的塑性得到增強，降低了煤體的吸解速度、水力造穴時沖出的大型孔洞對煤體起到一定的卸壓作用，進而破壞了發生突出的基礎條件。

3 水力造穴的施工工藝及效果

3.1 水力造穴設備

（1）ZDY2300LX履帶式液壓鉆機，額定轉矩為800～2300N·m，轉速60～170r/min。

（2）履帶式高壓清水泵站：水泵流量200L/min，水泵額定壓力20MPa。

（3）螺旋高壓密封鉆桿：鉆桿直徑φ80mm，最大耐壓20MPa。

（4）高壓旋轉接頭額定轉速為100r/min，額定壓力20MPa，額定流量200L/min，水箱1500L。

（5）高壓水射流閥組。

（6）三防裝置，具有臨時封孔，煤水分離等作用。

以上設備在巷道中的布置如圖1所示。

3.2 南五正巷水力造穴施工工藝

在具體實施時，首先在設計鉆孔位置用φ153mm的擴孔鉆頭施工一個深度為1m的淺孔，將與三防裝置配套的水力臨時封孔套筒塞入到短孔內，通過清水泵站向封孔套筒上的膠袋充水，壓力為3MPa。用軟管將三防裝置與南五正五巷的瓦斯抽采管路連接，實現臨時封孔功能。隨后用φ94mm鉆頭換下φ153mm擴孔鉆頭，進行正常打孔，待鉆孔達到設計深度時，通過退卸鉆桿將鉆孔中水力沖孔閥調整到需要造穴的位置。隨后提高履帶式高壓清水泵站的供水壓力至20MPa，此時水力沖孔閥開啟，通過鉆桿的前后往復推進和高速旋轉，高壓水射流實現剝離煤體的效果。造穴沖出的煤體通過三防裝置進行煤水分離。沖孔造穴尺寸設計為φ0.8m，長度1m，可通過鉆孔出煤量估算造穴的孔徑。當一個鉆孔完成水力造穴施工后，退出所有鉆桿，并調節鉆機的角度，按照相同的工藝進行下一個孔的施工，并對已施工孔進行及時封孔。

圖2為南五正巷掌子面上鉆孔及水力造穴的位置，共布置鉆孔18個，采用三排局扇法布置，對1～12#鉆孔實施水力沖孔措施，13～18#鉆孔為做實驗效果對比而不進行水力沖孔施工，其中7～12#鉆孔設計深度60m，由于鉆孔深度不同，1#、2e鉆孔施工一個造穴，3#、4#鉆孔施工兩個造穴，5～12#鉆孔施工3個造穴，兩個造穴間距通常為15～20m。由于水力造穴能夠對局部煤體進行擾動，有誘導小范圍煤與瓦斯突出的危險，因此造穴距離掌子面的最近距離不得小于20m。

3.3 南五正巷水力造穴消突效果

通過鉆孔的位置關系，將6#與13#，5#與14#，3#與16#，2#與17#鉆孔分為四組進行對比試驗，將這些鉆孔在抽采1至6天內的瓦斯抽采平均濃度、平均抽采混合量進行對比，其結果如表1所示。

從表1可知，進行造穴的鉆孔在抽采第三天時，平均抽采量與未造穴鉆孔相比，平均增加51%，且瓦斯的凈抽采量平均增加69%；

在抽采第六天時，進行造穴的鉆孔平均抽采量與未造穴鉆孔相比平均增加83%，且瓦斯的凈抽采量平均增加90%。

當抽采至第七天時，分別在-30°方向距掌子面50m和20m處（未造穴區域）測試煤層瓦斯含量，分別為11.94m3/t、7.03m3/t；而+30°方向距離掌子面55m、20m處（造穴區域）瓦斯含量為分別9.73m3/t、4.03m3/t。

綜上所述，與早期煤層瓦斯預抽相比，通過增加水力造穴工藝能夠極大的促進南五正巷的消突效果，將煤層瓦斯含量提早下降到標準下。

4 結論

現新景礦南五正巷掌子面上每次布置12個造穴鉆孔，相比早期鉆孔數減少1/3。鉆孔依舊呈局部扇形布置，其中0°方向鉆孔設計深度為60m，通常在預抽3～5天后，距離掌子面30m深處的煤層瓦斯含量8m3/t以下，瓦斯壓力下降到0.74MPa以下。現南五正巷已可連續掘進20m，月進尺可達65m，與早期相比增加85%。

雖然水力造穴能夠極大提高巷道的消突時間，但是水力沖孔因用水量進而出煤量較大，常造成巷道地板泥化嚴重，因此需提前疏通巷道臨時水溝并及時清理造穴出煤。

參考文獻

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[3]郭旭鋒，李江濤.水力沖孔增透技術的數值模擬及現場應用[J].中州煤炭，2014，02：37-39.

作者簡介：王曉平（1984，07-），男，漢族，陜西洛南縣人，本科，河南鐵福來裝備制造股份有限公司，助理工程師，研究方向：礦用鉆探裝備。