水力沖孔造穴技術(shù)在煤層瓦斯抽放中的應(yīng)用

武德峰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概 述

山西新元煤炭有限責(zé)任公司31004輔助進(jìn)風(fēng)巷工作面位于井田十采區(qū)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2810m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.2×3.2m，工作面回采煤層為3#石炭系煤層，平均厚度為2.67m，工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)720m。

由于新元礦屬于煤與瓦斯突出礦井，3#煤層相對(duì)瓦斯涌出量為20.01m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為209.93m3/min；31004輔助進(jìn)風(fēng)巷在前期掘進(jìn)期間為了降低煤層突出危險(xiǎn)性，減少工作面瓦斯涌出量，對(duì)工作面迎頭施工瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，但實(shí)際應(yīng)用效果相對(duì)較差，煤層瓦斯預(yù)抽后在掘進(jìn)時(shí)工作面平均瓦斯涌出量6.2m3/min，平均瓦斯?jié)舛仍?.7%，經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限斷電現(xiàn)象，不僅降低了施工巷道掘進(jìn)效率，而且嚴(yán)重威脅著工作面安全施工。

2 傳統(tǒng)瓦斯抽放方法及問(wèn)題分析

2.1 傳統(tǒng)瓦斯抽放方法

31004輔助進(jìn)風(fēng)巷開口掘進(jìn)20m后開始對(duì)工作面施工瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽，在距工作面頂板1.2m處布置一排抽放鉆孔，共計(jì)10個(gè)，鉆孔間距為0.5m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔深度為120m；鉆孔施工完后對(duì)鉆孔開口10m范圍內(nèi)采用聚氨酯進(jìn)行封孔處理，并安裝瓦斯抽放管路進(jìn)行瓦斯預(yù)抽；每組鉆孔施工后允許巷道掘進(jìn)距離為90m，超前30m，每個(gè)鉆場(chǎng)瓦斯抽采時(shí)間不得低于10d。

2.2 問(wèn)題分析

1）鉆孔抽放效果差：由于3#石炭系煤層發(fā)育不穩(wěn)定，煤層內(nèi)地應(yīng)力大，鉆孔在施工期間經(jīng)常出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆孔成孔率僅為42%，同時(shí)3#煤層透氣性系 數(shù) 為 0.4611～1.0526m2/MPa2·d， 衰 減 系 數(shù)0.3194～0.7845 d-1，煤層瓦斯抽采難度大、效率低，通過(guò)對(duì)巷道前期鉆孔抽采率監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤層抽放效率僅為27%。

2）鉆孔封孔質(zhì)量不合格：采用水泥砂漿進(jìn)行封孔，注漿壓力為1.0MPa，封孔長(zhǎng)度為10m，由于受鉆機(jī)及鉆桿擾動(dòng)破壞影響，鉆孔周圍煤體在徑向方向產(chǎn)生裂隙，最大裂隙延伸長(zhǎng)度達(dá)2.0m，采用水泥砂巖進(jìn)行封孔時(shí)無(wú)法對(duì)煤體裂隙進(jìn)行有效封堵，而且通過(guò)對(duì)鉆孔瓦斯抽放濃度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鉆孔在10-20m范圍瓦斯?jié)舛瘸山档挖厔?shì)，單孔瓦斯抽放濃度僅為32.7%，封孔長(zhǎng)度不能滿足瓦斯抽放要求。

3）鉆孔施工量大：傳統(tǒng)瓦斯抽放法個(gè)鉆場(chǎng)布置10個(gè)鉆孔，單孔長(zhǎng)度為120m，允許掘進(jìn)距離為90m，整條巷道共需布置20個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔總長(zhǎng)度為36000m，鉆孔施工量大，而且每個(gè)鉆場(chǎng)抽放時(shí)間為10d，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)效率，前期施工巷道平均掘進(jìn)量?jī)H為3m/d。

3 水力沖孔造穴技術(shù)應(yīng)用

為了提高抽放鉆孔瓦斯抽放率，減少鉆孔施工工程量，新元礦通風(fēng)部決定對(duì)31004輔助進(jìn)風(fēng)巷采用水力沖孔造穴技術(shù)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。

3.1 水力沖孔造穴原理

水力造穴技術(shù)是依靠高壓水的沖擊力，造成煤體破碎，形成孔洞；在排出大量煤渣的同時(shí)，釋放大量的瓦斯，鉆孔周圍煤體出現(xiàn)蠕變損傷、沿孔洞發(fā)生徑向移動(dòng)，導(dǎo)致鉆孔影響范圍內(nèi)煤體應(yīng)力降低，煤層孔隙張開、裂隙貫通，大幅度增高煤層透氣性，如圖1所示。

圖1 水力造穴增透瓦斯流動(dòng)概念模型

3.2 水力造穴裝備

1）水力造穴一體化裝備：造穴鉆機(jī)選用河南鐵福來(lái)公司生產(chǎn)的ZDY4500LXY型煤礦用履帶式液壓鉆機(jī)，配套裝備有BQWL200/31.5型高壓清水泵站、Φ73mm三棱高壓密封鉆桿、Φ94mm鉆頭、送水裝置、耐高壓動(dòng)密封旋轉(zhuǎn)接頭、打鉆三防裝置、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置以及新景公司自制的移動(dòng)式排水倉(cāng)。

2）瓦斯抽采裝備：采用安泰華封孔材料及PKJW-63型封孔器聯(lián)合進(jìn)行封孔，封孔管采用Φ63mmPVC管；采用單孔放水器，每個(gè)鉆孔孔口安裝FC-2型自動(dòng)放水裝置；支管路采用Φ250mm鐵管，接口采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接，并安裝孔板及鄭州光力科技CGWZ-100（A）管道瓦斯氣體綜合參數(shù)測(cè)定儀；單孔采用Φ63mm高壓膠體管連接，并安設(shè)單孔抽采觀測(cè)導(dǎo)流裝置。

3.3 水力沖孔造穴施工工藝

1）通過(guò)技術(shù)研究31004輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面布置5個(gè)水力造穴鉆孔（1#-5#）,鉆孔布置在距頂板1.0m處，鉆孔直徑為45mm，造穴孔直徑為600mm，造穴長(zhǎng)度為2.0m，如圖2所示。

圖2 341004輔助進(jìn)風(fēng)巷水力造穴造孔平、剖面示意圖

2）1#、5#鉆孔深度為50m，水平夾角為18°，鉆孔內(nèi)施工3個(gè)造穴孔，分別施工在15m、30m、45m處；2#、4#鉆孔深度為96m，水平夾角為9°，鉆孔內(nèi)施工4個(gè)造穴孔，分別施工在20m、40m、60m、80m處；5#鉆孔深度為120m，水平角度為0°，鉆孔內(nèi)施工 5個(gè)造穴孔，分別施工在 30m、50m、70m、90m、110m處；每個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔控制巷道幫距為15m，巷道允許掘進(jìn)距離為100m。

3）鉆孔造穴施工期間造穴水壓為18MPa，造穴時(shí)間為30min，造穴后及時(shí)清理鉆孔內(nèi)煤屑。

3.3 封孔工藝

為了提高鉆孔封孔質(zhì)量，新元礦通過(guò)實(shí)驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)煤屑量法確定鉆孔封孔深度，并采用囊袋式封孔工藝。

1）首先在工作面迎頭施工6個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)鉆孔產(chǎn)生煤屑量觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆孔10m-16m范圍內(nèi)鉆孔煤屑成遞增趨勢(shì)，在15m-16m范圍內(nèi)煤屑量達(dá)到最大值，如圖3所示，由此可見掘進(jìn)工作面煤體原始應(yīng)力區(qū)至少在順槽鉆孔施工煤壁往里16m以外區(qū)域。所以最終確定封孔深度為18m，封孔長(zhǎng)度為9-18m。

2）水力造穴鉆孔施工完后進(jìn)行擴(kuò)孔擴(kuò)孔深度為18m，直徑為150mm，擴(kuò)孔后及時(shí)清理鉆孔內(nèi)煤屑并安裝直徑為63mm，長(zhǎng)度為3.0m的PVC封孔管，管與管之間采用絲扣連接，如圖4所示。

圖3 31004輔助進(jìn)風(fēng)巷工作面鉆孔鉆屑量與鉆孔深度變化關(guān)系示意圖

（1）在9m及16m處分別安裝PKJW-63型封孔器，待封孔器安裝后在其中間注射安泰華封孔材料，注漿壓力不得低于5MPa。

3）待鉆孔封孔5h后及時(shí)與瓦斯抽放管路對(duì)接，進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，每個(gè)鉆場(chǎng)瓦斯抽放時(shí)間為5d。

圖4 31004輔助進(jìn)風(fēng)巷工作面囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔示意圖

4 應(yīng)用效果分析

新元礦31004輔助進(jìn)風(fēng)巷后期掘進(jìn)期間采用水力沖孔造穴技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)煤層瓦斯預(yù)抽后，主要取得了一下顯著成效：

1）采用水力沖孔造穴技術(shù)后，造穴孔充分釋放了煤層中地應(yīng)力，提高了煤體透氣系數(shù)，降低了鉆孔塌孔現(xiàn)象，使鉆孔成孔率提高至90%以上。

2）通過(guò)水力沖孔造穴技術(shù)應(yīng)用三個(gè)月對(duì)效果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯抽放效率提高至67%以上，單孔抽采純量在0.238～1.145m3/min之間，平均0.74m3/min，單循環(huán)日抽采純量在378～1420m3之間，平均793m3。瓦斯抽采后煤層瓦斯含量可降低2～4m3/t。

3）采用囊袋式封孔工藝，有效提高鉆孔封孔質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)鉆孔封孔工藝效果差、漏氣量大，鉆孔抽采濃度低等技術(shù)難題，采用該技術(shù)封孔后對(duì)鉆孔抽放濃度發(fā)現(xiàn)，單孔抽采濃度提高至87%以上。

4）采用水力沖孔造穴技術(shù)時(shí)每個(gè)鉆場(chǎng)布置5個(gè)鉆孔，長(zhǎng)度為400m，整條巷道需布置26個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔總長(zhǎng)度為10200m，與傳統(tǒng)施工工藝相比，大大降低了鉆孔施工工程量，而且每個(gè)鉆場(chǎng)抽放時(shí)間縮短至5d，有效提高了巷道掘進(jìn)效率，在后期掘進(jìn)過(guò)程中平均掘進(jìn)工程量達(dá)8.9m/d。

5 結(jié)束語(yǔ)

山西新元煤炭有限責(zé)任公司通過(guò)技術(shù)研究，對(duì)31004輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間傳統(tǒng)瓦斯抽放方法存在問(wèn)題進(jìn)行合理分析，并提出水力沖孔造穴技術(shù)及囊袋式封孔工藝，實(shí)踐證明，采取有效的抽采方法及封孔工藝后，提高了煤層瓦斯抽放效率，及單孔瓦斯抽放濃度，保證了煤層增透效果，降低了突出危險(xiǎn)性，同時(shí)有效提高了巷道掘進(jìn)效率，取得了顯著成效。