伏巖煤業3208運輸巷水力沖孔卸壓增透技術研究

馬晉波

(山西陽城陽泰集團 伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105)

1 工程概況

山西陽泰集團伏巖煤礦3208工作面位于二采區東部，主采3號煤層，煤層厚度3.20～6.64 m，平均4.96 m，為井田穩定可采煤層，平均含0～2層夾矸，煤層頂板為泥巖與砂巖，底板為泥巖，采用分層開采的方式，先進行上分層回采，然后進行下分層回采，上下分層工作面均采用綜采采煤工藝。

3208上分層運輸巷沿煤層掘進，巷道斷面為矩形，高度為2.7 m，寬度為4.2 m，依據礦井3號煤層2017年的瓦斯鑒定結果可知，該煤層巷道進行掘進作業時，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為2.63 m3/min，針對3號煤層透氣性差、瓦斯抽放效果差的現狀，決定在3208運輸巷開展水力沖孔造穴試驗，以提高煤層透氣性，提高低透煤層瓦斯抽采效果，縮短抽采達標時間，提高掘進速度，消除煤層突出危險性，保障采掘安全。

2 水力沖孔卸壓增透原理

現通過宏觀裂隙層面對水力沖孔的卸壓增透機理進行具體分析，在煤體上打設鉆孔后，鉆孔的應力分布情況如圖1所示，通過分析圖1可知，在鉆孔打設完畢后，鉆孔周圍的應力會出現明顯的重新分布現象[1-2]，鉆孔周圍出現了應力集中，其中徑向應力σr會逐漸減小至最小，σθ會隨著距離鉆孔距離的減小而逐漸增大到最大值。

水力沖孔卸壓增透技術其實質即為采用高壓水的沖擊作用對煤層中原有打設的鉆孔進行有效的擴孔作業，進而增大鉆孔在煤層段的孔徑，隨著鉆孔孔徑的逐漸增大，鉆孔周圍的應力會進一步的集中，塑性區的范圍會更大[3-4]，進而為瓦斯的滲流提供更多的通道，具體鉆孔周圍的應力與滲透率之間的關系如圖2所示。

圖1 彈性狀態下鉆孔周圍應力分布

圖2 鉆孔周圍應力與滲透率變化曲線示意

通過分析圖2可知，當鉆孔周圍的應力從原巖應力區變化到彈性區時，鉆孔受到的主應力差值會逐漸增大，原生裂隙也會逐漸閉合，進而使得煤體的滲透率出現逐漸減小的趨勢，在該階段鉆孔的應力與其滲透率之間呈現出負相關的關系；隨著鉆孔周圍煤體應力水平的進一步增大，當鉆孔周圍受到的應力達到最大值時，此時煤體已經進入塑性狀態，煤體內的裂隙會逐漸產生和發育，并且在應力作用下會進一步擴大與貫通，進而有效形成應力場，使得鉆孔周圍的滲透率出現快速增大的趨勢，且鉆孔滲透率的最大值出現在孔壁處，該處圍巖的滲透率遠大于原巖應力水平下的滲透率。

3 水力卸壓增透技術與效果分析

3.1 水力卸壓增透技術

3.1.1 水力沖孔設計

根據3208運輸巷的具體地質條件，設計水力沖孔共9個，分別為1～9號孔，水力沖孔造穴位置共計76個，具體各個水力沖孔的參數如表1所示，設計水力沖孔造穴鉆孔布置如圖3所示。

表1 各水力沖孔設計參數及位置

圖3 3208運輸巷水力沖孔布置位置示意(m)

3208運輸巷水力沖孔造穴的間距為10 m，在進行具體施工作業時，由于受到現場施工條件的影響，具體施工作業時各個鉆孔的水力造穴的具體范圍如下：1號鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為15～65 m，2號、4號和6號鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為15～100 m， 3號鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為20～100 m， 5號和7號鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為10～100 m，8號鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為15～75 m，9號鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為10～40 m。

3.1.2 水力沖孔系統

水力沖孔系統主要由水力沖孔鉆機、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。水力沖孔鉆頭及氣渣分離器( 防噴裝置隨鉆機附帶)。水力沖孔系統如圖4所示。

圖4 水力沖孔系統示意

具體水力沖孔系統中使用設備的各項參數如下：①鉆機選用ZDY2300LX煤礦用履帶式液壓鉆機，額定扭矩為800～2 300 N·m，額定轉速為60～170 r/min；②高壓密封鉆桿采用螺旋高壓密封鉆桿，其中鉆桿直徑為80 mm，耐壓強度為20 MPa；③水力沖孔接頭采用外徑為80 mm、長度為400 mm、耐壓強度為20 MPa的接頭，使用該水力沖孔接頭實現低壓水鉆孔，高壓水沖孔造穴作業；④鉆頭采用開孔金剛石復合片鉆頭，直徑為94 mm；⑤高壓旋轉接頭的額定轉速為100 r/min，額定壓力為20 MPa，額定流量為200 L/min。

3.1.3 水力沖孔作業流程

1) 在3208運輸巷內距巷道底板高度約1.3 m處開孔，按設計位置進行鉆孔的施工作業，打鉆過程中的排渣作業通過螺旋高壓密封鉆桿的螺旋葉片實現；

2) 連接好各個設備及其相關的配件與管路后，啟動高壓注水泵，調整泵的壓力到18 MPa；

3) 確認管路連接后，開啟鉆機，轉動鉆桿(不鉆進)直到鉆孔口有水流出；

4) 進行水力沖孔切割煤體(沖孔過程中，保持鉆桿正常轉動，轉速略小于正常鉆進速度，以便充分切割煤體，退鉆時要轉動鉆桿)；

5) 為增大沖孔效果，反復多次在設計造穴長度范圍內鉆、退本根鉆桿，進行重復沖孔；

6) 重復上述步驟，直到按照設計位置沖孔完畢，進行停泵、退鉆作業，退鉆完成后即完成單個鉆孔的水力沖孔作業，即可進行轉孔。

3.2 效果分析

為了考察3208運輸巷水力沖孔卸壓增透技術效果，通過對3208運輸巷未進行水力沖孔鉆孔預抽情況及3208運輸巷試驗段采用水力沖孔卸壓增透技術后瓦斯預抽的效果進行統計分析，選取未采用水力沖孔卸壓增透技術的考察鉆孔4個，分別命名為考1～考4，對于采用水力沖孔卸壓增透技術的鉆孔同樣選擇4個，分別命名為增1～增4，水力沖孔卸壓增透技術前后的瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 水力沖孔卸壓增透技術前后瓦斯抽采濃度曲線

由圖5能夠看出，在鉆孔未采用水力沖孔卸壓增透技術時，4個考察孔的瓦斯抽采濃度基本集中在40%左右，當鉆孔采用水力沖孔卸壓增透技術后，試驗段考察的4個鉆孔的瓦斯抽采濃度基本均在80%左右，水力沖孔卸壓增透技術比未采用水力沖孔卸壓增透技術的瓦斯抽采濃度提升了一倍，效果較為明顯。

為更全面分析水力沖孔卸壓增透技術對鉆孔瓦斯抽采效率的提升，同時對4個考察鉆孔和4個水力沖孔增透后鉆孔的瓦斯抽采純量進行了有效監測，并進行對比分析，如圖6所示。

由圖6能夠看出，未采用水力沖孔增透的4個考察鉆孔其瓦斯抽采純量的平均值僅為0.18 m3/min，而采用水力沖孔增透技術的4個試驗鉆孔瓦斯抽采純量的均值達到了0.33 m3/min，由此可知水力沖孔卸壓增透技術使得巷道瓦斯抽采的純流量提升了近一倍，水力沖孔增透效果顯著。

4 結 語

通過對水力沖孔卸壓增透技術機理的分析，結合3208運輸巷的具體地質條件，對水力沖孔卸壓增透的試驗方案進行了具體設計，并對瓦斯抽采效果進行了考察，根據監測結果知，采用水力沖孔卸壓增透技術后的瓦斯抽采鉆孔與常規抽采鉆孔相比，其瓦斯抽采濃度與抽采純量均能夠提升1倍，水力卸壓增透效果顯著。

圖6 瓦斯抽采純量對比曲線