水力沖孔工藝參數對瓦斯抽采效果的影響研究

邢 棟

（山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司，山西 晉城 046600）

隨著我國礦井不斷向深部延伸，開采煤層逐漸面臨高瓦斯壓力與高地應力的威脅[1]。為增加煤層透氣性，有效提高鉆孔瓦斯抽采效率，開發了諸多瓦斯治理技術，其中以水力沖孔技術對煤層的卸壓增透效果最為顯著[2-3]。由于目前對水力沖孔技術的研究局限于卸壓范圍、增透效果與沖孔鉆孔布孔方案的優化研究，對沖孔工藝參數的優化尚缺乏深入研究。本文通過趙莊礦水力沖孔現場試驗，開展對水力沖孔工藝參數的優化研究。

1 水力沖孔卸壓增透機理與裝備

水力沖孔系統的組成如圖1所示，系統裝備主要由高壓水射流噴嘴、鉆沖一體化鉆頭、高壓密封鉆桿、耐高壓水辮、防瓦斯超限裝置、鉆機、乳化液泵站等組成。其中乳化液泵對靜壓水瞬間加壓后通過高壓膠管定向輸送進入高壓鉆桿內，然后通過與高壓鉆桿連接的高壓噴頭上分布的高壓噴嘴噴射出去。高壓水射流噴嘴是高壓水射流發生裝置的執行元件，是形成高壓水射流的關鍵部件，用以對煤體進行切割、破碎，對鉆孔周圍的煤體進行高壓沖擊破碎，實現煤體的卸壓增透，提高瓦斯預抽效率。

圖1 水力沖孔系統圖

2 水力沖孔現場試驗

2.1 水力沖孔試驗地點概況

試驗礦井晉煤集團趙莊礦的煤體對瓦斯的吸附能力強，瓦斯含量高，透氣性低。3#煤層平均厚度4.5m，瓦斯含量6.99～12.73m3/t，3#煤層透氣性系數0.21～0.46m3/（MPa2·d），原始瓦斯壓力0.06～0.71MPa，埋 深710～770m。地壓為14.5～20.7MPa，1309-2#底抽巷附近地溫為12～18℃，針對1309工作面煤巷掘進過程中頻繁出現瓦斯超限的問題，決定在1309-2#底抽巷東段第三抽采單元進行水力沖孔試驗。

2.2 沖孔方案設計

試驗地點巷道凈寬5m，凈高3m，上距煤層7m左右。采用ZDY系列鉆機施工，根據鉆機施工角度的界限值合理確定了布孔角度。共布置33組鉆孔，每組設計3個鉆孔，每6m布置一組，僅對每組中1#、2#鉆孔進行沖孔，3#鉆孔作為考察水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采效果的考察鉆孔。沖孔鉆孔布孔方式如圖2所示，布孔參數見表1。

為深入研究水力沖孔工藝參數對沖孔鉆孔瓦斯抽采效果的影響，為沖孔工藝的優化提供科學依據，通過現場沖孔試驗收集相關數據反映出不同沖孔壓力對沖出煤量、堵孔對瓦斯抽采效果、沖孔順序對堵孔的影響。

圖2 鉆孔布置主視圖

表1 水力沖孔布孔參數表

3 水力沖孔試驗結果分析

3.1 瓦斯抽采效果分析

圖3 百米瓦斯流量圖

對圖3分析可知：將水力沖孔效果最差的1#和2#孔去除后，沖孔鉆孔較普通鉆孔的百米瓦斯流量提高了8.1～9.4倍，整體平均提高了8.1倍，試驗結果證明了水力沖孔技術可以有效提高煤層瓦斯預抽效率，縮短瓦斯預抽期。

3.2 沖孔壓力對出煤量的影響

圖4 沖孔壓力與出煤量關系圖

現場沖孔壓力的選擇主要依靠對鉆孔返水的黑色程度進行確定，受人為因素的影響較大。由于不同沖孔壓力的沖孔鉆孔數量較多，個別沖孔壓力的沖孔鉆孔僅為一個，為對現有沖孔工藝提供一個合理的沖孔壓力區間，對不同沖孔壓力區間的鉆孔出煤量取均值，沖孔壓力僅為一個鉆孔的出煤量取原值進行對比。如圖4所示，在沖孔壓力區間值為17～18MPa時，沖孔鉆孔的平均出煤量最多，明顯高于其他沖孔壓力區間的沖出煤量。

3.3 堵孔對瓦斯抽采效果的影響

對圖3（b）觀察后可以發現：未堵孔的7#鉆孔的百米瓦斯流量遠大于發生過堵孔鉆孔的百米瓦斯流量。

通過對該現象分析得到：在沖孔的過程中一旦發生堵孔現象，在短時間內鉆孔內便積聚了大量的高壓水，高壓水在壓力的驅動作用下進入煤體裂隙，促使裂隙向煤體深部延伸。當孔洞內的高壓水沖破堵孔煤渣束縛涌出孔外時，水分在煤體內擠壓滲透的動力源消失，受水壓作用而擴張延伸的煤體裂隙在地應力的作用下重新閉合，殘余在煤體裂隙內的水分擠占了煤層瓦斯的滲流通道，滲透率降低，瓦斯抽采難度加大。

3.4 沖孔順序的影響

水力沖孔期間分別進行了從煤層底板至煤層頂板的沖孔順序與從煤層頂板至煤層底板的沖孔順序比較。從上至下的沖孔順序較于從下至上的沖孔順序出現堵孔憋孔的頻率更多，甚至出現過掉鉆事故。導致該現象的原因為：由于鉆孔在施打時會使周圍煤體產生較多的裂隙，煤體強度降低，受應力作用的影響煤段鉆孔容易變形，當從上往下進行水力沖孔時，由于孔壁變形嚴重，出煤空間狹小，極易導致排水不暢產生堵孔的問題；從下至上進行沖孔時，由于只有巖段鉆孔承擔排渣工作，巖段鉆孔穩定性較強，孔壁不會發生變形，且由于排渣孔段的長度較短，排渣的阻力相對較小，有利于煤渣水排出孔洞。

4 結論

（1）現有沖孔裝備能夠滿足現場水力沖孔的需要，水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采鉆孔較常規鉆孔百米瓦斯流量整體平均提高了8.1倍，表明水力沖孔技術可有效提高趙莊煤業的瓦斯抽采效率，縮短瓦斯預抽期限。

（2）沖孔壓力區間值為17～18MPa時，沖孔鉆孔的平均出煤量較大，堵孔現象的發生將導致沖孔鉆孔的瓦斯抽采效率降低，通過改變鉆孔的沖孔順序可大幅減少堵孔現象發生的頻率，確保沖孔后鉆孔的瓦斯抽采效率得到有效提升。