底抽巷水力沖孔卸壓增透技術(shù)在高瓦斯礦的應(yīng)用

湯 輝

(潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

1 工程概況

潞安集團(tuán)余吾煤礦年產(chǎn)煤量超1000萬t，井田地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，屬高瓦斯礦井。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，余吾煤業(yè)水力沖孔措施的工程應(yīng)用在N2205工作面底抽巷開展。N2205工作面底抽巷布置于N2203回風(fēng)平巷與N2205膠帶平巷之間，按照余吾煤業(yè)N2203回風(fēng)平巷的掘進(jìn)要求，兩幫預(yù)抽寬度控制在17m左右。N2203底抽巷與N2205工作面平、剖面位置關(guān)系見圖1所示。

N2203底抽巷穿層鉆孔在整個(gè)預(yù)抽區(qū)域內(nèi)呈網(wǎng)格式均勻布置，鉆孔穿透煤層全厚進(jìn)入頂板0.5m，孔徑為94mm。穿層鉆孔在頂板處間距為5m（按5m×5m網(wǎng)格狀布置），控制范圍為被掩護(hù)巷道兩側(cè)輪廓線外17m。每組穿層鉆孔共布置9個(gè)鉆孔，其中5個(gè)鉆孔布置于N2203底抽巷頂板，鉆孔間距350mm；4個(gè)鉆孔分兩列布置于巷道右?guī)蜕喜浚@孔距頂250mm，上下間距300mm，兩排鉆孔間距400mm。N2203底抽巷中開孔位置詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖1 N2203底抽巷與N2205工作面平、剖面圖

表1 穿層鉆孔位置詳細(xì)參數(shù)表

2 穿層鉆孔布置方式設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔間距的確定

鉆孔間距的確定過程應(yīng)考慮鉆孔的覆蓋范圍、工程量等實(shí)際情況。按照余吾煤業(yè)N2203掘進(jìn)工作面的要求，兩幫預(yù)抽寬度控制在17m左右。考慮常規(guī)的鉆孔間距4m、5m、6m的情況，對這3種間距進(jìn)行分析，見圖2所示。

圖2 不同鉆孔間距覆蓋效果對比圖

對于4m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍可以達(dá)到17.5m，每排共需11個(gè)鉆孔才能實(shí)現(xiàn)覆蓋。對于5m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍也可以達(dá)到17.5m，每排共需9個(gè)鉆孔實(shí)現(xiàn)覆蓋。對于6m間距鉆孔中心對稱布局而言，如果只打7個(gè)孔，巷幫控制范圍只能到達(dá)15.5m，與17m控制范圍相差1.5m，無法實(shí)現(xiàn)覆蓋要求。對于6m間距鉆孔軸對稱布局而言，巷幫控制范圍也可以達(dá)到18.5m，每排共需鉆孔8個(gè)實(shí)現(xiàn)覆蓋。顯然，對于4m與5m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍相同，但是5m間距鉆孔每排少打2個(gè)鉆孔。按照1個(gè)鉆孔平均1個(gè)班的施工時(shí)間計(jì)算，按照5m間距布局，每排可以省去2個(gè)班的施工時(shí)間，因此，5m鉆孔更優(yōu)。對于6m間距布局而言，雖然只需8個(gè)孔，且覆蓋范圍超過17m要求，但是單個(gè)鉆孔的卸壓范圍過大，單孔的沖孔時(shí)間會(huì)大幅度增加。由于沖孔鉆孔存在誘發(fā)小型突出的風(fēng)險(xiǎn)，增加沖孔時(shí)間會(huì)增加施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)上覆巖層下沉垮落的危險(xiǎn)也在不斷增加。總體而言，6m間距下的沖孔鉆孔對各方面要求較高，會(huì)嚴(yán)重拖延施工進(jìn)度。綜上所述，采用5m鉆孔間距既可以實(shí)現(xiàn)煤層卸壓，又可以將施工量控制在可接受范圍內(nèi)，是最合理的方案。

2.2 鉆孔布局的確定

穿層鉆孔在煤層頂板位置處的布置方式俯視圖如圖3所示。兩種布置方式均采用錯(cuò)位水力沖孔的方式，以求最大化的利用沖孔鉆孔帶來的煤層卸壓增透效果。唯一不同的是，在交替式布孔方式下，每隔一個(gè)普通鉆孔就存在一個(gè)沖孔鉆孔；而在間隔交替式布孔方式下，每兩排鉆孔中會(huì)存在一排普通穿層鉆孔，該排不進(jìn)行沖孔作業(yè)。

圖3 穿層鉆孔布置方式對比圖

從煤層卸壓增透的角度來看，由于交替式布孔方式每排都進(jìn)行了沖孔措施，卸壓較為均勻，卸壓覆蓋率較高；而間隔交替式布孔方式的沖孔鉆孔之間距離較遠(yuǎn)，卸壓效果與前者相比覆蓋率低一些，存在一小部分卸壓盲區(qū)，見圖4所示。然而，從施工進(jìn)度上進(jìn)行考量，由于間隔交替式布孔方式存在大量普通穿層鉆孔，水力沖孔鉆孔數(shù)量被大大減少，略等于交替式布孔方式的一半，因此可以省下大量的沖孔時(shí)間，工程量較小，進(jìn)度較快，可以滿足井下進(jìn)度要求。綜上所述，穿層鉆孔采用間隔交替式鉆孔布局方式，錯(cuò)位布孔，鉆孔間距5m，這種布局方式能夠使得沖孔鉆孔的卸壓增透效果被充分利用。

圖4 不同穿層鉆孔布置方式的卸壓效果對比圖

3 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)對比

瓦斯流量衰減系數(shù)是考察增透措施的重要指標(biāo)。衰減系數(shù)越大，煤層透氣性越差，抽放影響范圍越小，高效抽放的可持續(xù)性越差；反之，衰減系數(shù)越小，抽放影響范圍越大，透氣性越好，抽放效果越好。利用現(xiàn)場沖孔效果較好的沖孔鉆孔作為測量鉆孔，并采用相應(yīng)的瓦斯流量測量裝置對該鉆孔進(jìn)行定期測量。每次測量時(shí)間為3min，該過程中多次測量混流瓦斯?jié)舛龋瑴y算平均值。同理，對沖孔鉆孔測量孔周圍的普通鉆孔也進(jìn)行瓦斯流量定期測量，作為對比數(shù)據(jù)。

不同鉆孔的煤層段長度不一致，所測數(shù)據(jù)需要根據(jù)各自鉆孔長度換算成百米鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)，同時(shí)需要折算到1min 內(nèi)流量數(shù)據(jù)，如圖5所示。圖中1#～9#鉆孔為普通鉆孔，10#鉆孔為水力沖孔鉆孔，需要注意的是，普通鉆孔與沖孔鉆孔的觀測時(shí)間略有不同。

根據(jù)圖中普通鉆孔和水力沖孔鉆孔的瓦斯純流量衰減變化規(guī)律，并結(jié)合公式（1）對其曲線進(jìn)行擬合，可以得到擬合公式和對應(yīng)的瓦斯流量衰減系數(shù)，見表2所示。

根據(jù)表2可知，普通鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)普遍在0.02～0.025之間，而沖孔鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)僅為0.003。可以看出，沖孔鉆孔的衰減系數(shù)僅為普通鉆孔的1/7～1/8左右，表明沖孔鉆孔卸壓增透范圍更廣，煤體增透效果更好，有效抽采服役時(shí)間更長。

圖5 瓦斯純流量衰減變化圖

表2 普通鉆孔和沖孔鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)擬合數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）通過對比4m、5m、6m鉆孔間距下的卸壓覆蓋范圍，充分考慮卸壓區(qū)域以及減少施工量的因素，確定了最合理的鉆孔間距為5m；同時(shí)，對比了不同的沖孔布局方案，分析其卸壓效果、存在的盲區(qū)大小以及工程施工量等關(guān)鍵點(diǎn)，確定了間隔交替式?jīng)_孔方案。

（2）水力沖孔效果考察試驗(yàn)表明，沖孔鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)為0.003，僅為普通鉆孔的1/7～1/8左右，持續(xù)性更強(qiáng)，瓦斯抽采效率和效果都明顯優(yōu)于普通鉆孔區(qū)域。