水力沖孔造穴技術(shù)在新景礦3107輔助進(jìn)風(fēng)巷中的應(yīng)用

荊 偉

（山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

新景礦保安分區(qū)3#煤3107輔助進(jìn)風(fēng)巷位于保安分區(qū)南翼東部，東為本區(qū)3105工作面（已采）南為蘆南二區(qū)7206、7208工作面（已采），西為本區(qū)3109工作面（未掘），北隔采區(qū)大巷為3108工作面（未掘）。3107工作面主要開采3號(hào)煤層，該工作面構(gòu)造發(fā)育，煤層透氣性系數(shù)平均為0.000375md，瓦斯流量衰減系數(shù)平均為0.069d-1，瓦斯放散初速度為10.2mL/s，為煤與瓦斯突出煤層。為防止工作面在開采過程中出現(xiàn)煤與瓦斯突出事故，選擇在3107輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行水力沖孔造穴試驗(yàn)，該巷道選用矩形斷面，巷道斷面尺寸（寬×高）=5m×2.8m，巷道為沿底掘進(jìn)巷道，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?107輔助進(jìn)風(fēng)巷煤頭前方60m范圍內(nèi)。

2 水力沖孔卸壓增透技術(shù)應(yīng)用

1）卸壓增透原理。通過水力沖孔作業(yè)，將孔周邊的煤體沖出，從而在鉆孔周邊形成一個(gè)孔洞，為在地應(yīng)力作用下孔周邊發(fā)生膨脹變形的煤體提供了自由變形空間；孔穴的形成導(dǎo)致煤體發(fā)生相對移動(dòng)，頂?shù)装彘g產(chǎn)生相向位移，從而在鉆孔區(qū)域形成一個(gè)應(yīng)力降低區(qū)，煤體內(nèi)壓力得到釋放，煤體內(nèi)部裂隙增加，煤體透氣性得到增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)了瓦斯的解吸和排放，提高了瓦斯抽采效率。

2）水力沖孔系統(tǒng)。水力沖孔系統(tǒng)主要由水力沖孔鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、水力沖孔接頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、高壓管路等組成，如圖1所示。

圖1 水力沖孔系統(tǒng)示意圖

3 水力沖孔施工工藝流程

1）施工地點(diǎn)選擇在3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷，鉆機(jī)開孔位置選擇在距離巷道底板1.3m處，根據(jù)鉆孔施工布置圖進(jìn)行順層鉆孔施工，通過螺旋高壓密封鉆桿螺旋葉片排渣，在前2根鉆桿間連接水力沖孔接頭；

2）當(dāng)鉆桿鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)位置深度時(shí)，將高壓注水泵與鉆桿通過高壓膠管相連接，開啟高壓泵并設(shè)置壓力為18MPa；

3）管路連接完成后，將鉆機(jī)開啟，同時(shí)空轉(zhuǎn)鉆桿至孔口有水流出（水流出所需時(shí)間與煤體物理力學(xué)性質(zhì)及鉆孔深度有關(guān)系）；

4）通過水力沖孔作業(yè)對煤體進(jìn)行切割，在進(jìn)行沖孔作業(yè)時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度較正常鉆進(jìn)時(shí)略小，從而使煤體被充分切割，將鉆桿退出過程中要同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿；

5）為取得良好的沖孔效果，在孔內(nèi)造穴位置多次鉆、退鉆桿，重復(fù)沖孔作業(yè)；

6）首次造穴完成后，重復(fù)進(jìn)行上述步驟1～3，直至該鉆孔內(nèi)全部沖孔造穴工作按設(shè)計(jì)要求完成，此時(shí)將高壓泵關(guān)閉，空轉(zhuǎn)鉆桿待排渣完成后，將鉆桿退出，該鉆孔內(nèi)造穴完成。

3107輔助進(jìn)風(fēng)巷共造穴5個(gè)鉆孔、27個(gè)孔穴，鉆孔布置如圖2所示，具體參數(shù)見表1。沖孔半徑按照出煤推算平均達(dá)到0.57m，造穴出煤量最少0.7t，最多2.38噸，5個(gè)鉆孔累計(jì)在27個(gè)位置進(jìn)行造穴煤粉39.3t，平均每個(gè)位置造穴煤粉1.4t。

表1 鉆孔及沖孔造穴參數(shù)表

圖2 3107輔助進(jìn)風(fēng)巷沖孔造穴鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

4 水力沖孔造穴效果檢驗(yàn)

4.1 水力沖孔后本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況

水力沖孔造穴施工完成后，對5個(gè)鉆孔內(nèi)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，從12月4日至12日，瓦斯抽放純量累計(jì)總量為2268.14m3，造穴單孔瓦斯抽采濃度為22.94%，單孔抽采平均混合量為0.312m3/min，平均純量為0.078m3/min，具體情況見表2。

表2 水力沖孔后本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況表

4.2 未進(jìn)行水力沖孔本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況

表3 未進(jìn)行水力沖孔本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況表

選取保安南六出煤巷掘進(jìn)工作面4個(gè)長度同樣為60m未進(jìn)行水力沖孔的本煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間為11月23日至28日，瓦斯抽放純量累計(jì)總量為889.92m3，造穴單孔瓦斯抽采濃度為10.17%，單孔抽采平均混合量為0.257m3/min，平均純量為0.0261m3/min，具體情況見表3。

通過對水力沖孔造穴和未進(jìn)行水力沖孔造穴鉆孔內(nèi)瓦斯預(yù)抽情況對比可知，前者瓦斯抽采濃度是后者的2.25倍，前者瓦斯抽采純量是后者的2.55倍，水力沖孔卸壓增透效果明顯。

4.3 掘進(jìn)效果考察

3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷于12月13日開始掘進(jìn)，截止12月28日8點(diǎn)班共施工40m，本循環(huán)掘進(jìn)正常，未出現(xiàn)瓦斯斷電等異常。根據(jù)掘進(jìn)期間瓦斯涌出量與推進(jìn)度的關(guān)系，繪制掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸兓€如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸兓€

從以上3107輔助進(jìn)風(fēng)巷回風(fēng)流瓦斯曲線可以看出：掘進(jìn)工作面推進(jìn)前40m，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取⑼咚褂砍隽糠€(wěn)定，瓦斯?jié)舛茸罡?.3%，瓦斯涌出量最大1.2m3/min。

掘進(jìn)期間煤層情況及測試K1值分析見表4。

表4 K1值測試表

從上表中K1值及掘進(jìn)期間煤層變化情況可以看出：在掘進(jìn)前40m，K1值均不大于0.4，施工期間未出現(xiàn)噴孔、吸鉆現(xiàn)象。

4.4 掘進(jìn)期間煤層瓦斯含量分析

抽放后瓦斯含量計(jì)算：根據(jù)工作面掘進(jìn)前抽放量為2268.14m3，計(jì)算得出3107輔助進(jìn)風(fēng)巷60m條帶煤層瓦斯含量平均減少0.36m3/t，瓦斯含量測定記錄如表5所示。

表5 瓦斯含量測定記錄表

通過瓦斯含量測定記錄表可以看出：工作面通過預(yù)抽，本煤層瓦斯含量減小，但隨著工作面的推進(jìn)，煤層瓦斯含量增大。也從側(cè)面反應(yīng)出隨著工作面向前推進(jìn)，造穴孔間距增大，局部煤層受造穴孔間距影響，不能得到充分預(yù)抽，瓦斯含量變化不大。造穴孔設(shè)計(jì)必須要考慮造穴孔影響半徑。預(yù)估消除前方條帶煤體突出危險(xiǎn)性需要的時(shí)間。可以預(yù)判造穴孔影響半徑4.1m。

4.5 從造穴孔布置及穴位布置分析

根據(jù)3107輔助進(jìn)風(fēng)掘進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)資料和造穴鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)可知：在15m處兩側(cè)造穴孔與巷道造穴孔間距為3.86m時(shí)，測試K1值均小于0.4，瓦斯?jié)舛刃∮?.4%，涌出量小于3m3/min，施工過程中無吸鉆、噴瓦斯現(xiàn)象；施工至25m處時(shí)間距為5.78m，測試K1值均小于0.4，但瓦斯?jié)舛壬?.8%，涌出量達(dá)到3.84m3/min；施工至35m處時(shí)間距為8.17m，測試K1值為0.94，瓦斯?jié)舛壬?.7%，涌出量達(dá)到3.36m3/min，出現(xiàn)吸鉆、噴瓦斯現(xiàn)象。

通過對上述資料分析可以看出：隨著工作面向前推進(jìn)，當(dāng)兩側(cè)造穴孔距巷道造穴孔距離越來越遠(yuǎn)，造穴孔對之間煤體影響將越來越小。

5 結(jié) 論

1）對煤層采取水力沖孔造穴措施將煤體沖出，可將鉆孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象消除，實(shí)現(xiàn)煤體的卸壓作用。

2）3107輔助進(jìn)風(fēng)巷共造穴5個(gè)鉆孔、27個(gè)孔穴，與未進(jìn)行沖孔造穴相比較，造穴后煤層透氣性得到很大程度的改善，預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊玫矫黠@提高，消除了激發(fā)瓦斯突出的應(yīng)力和條件，有顯著的防突作用效果。

3）由考察分析預(yù)估前方條帶消除煤體突出危險(xiǎn)性需要的時(shí)間，可以預(yù)判造穴孔影響半徑4.1m，對下一步造穴沖孔設(shè)計(jì)起指導(dǎo)、優(yōu)化作用。