掘進巷瓦斯抽采與消突技術研究

張家輝

(山煤國際能源集團股份有限公司， 山西 太原 030006)

高壓水射流割縫技術也叫水力割縫技術，是利用高壓水流破壞煤層并割出一條或若干條煤層人工縫隙，降低煤層應力狀態，提高裂縫影響區的煤層滲透率，提高瓦斯抽采速度和卸壓消突效果[1-2]. 鄒忠有[3]通過水力割縫的實驗研究發現，高壓水切割煤層后，比普通的鉆孔卸壓后，瓦斯抽采效率會提高97%以上。趙嵐[4]研究了在固流耦合作用下，水力割縫可以釋放低滲透煤層的部分有效體積應力，使作用范圍內煤層在割縫后發生垮落，從而導致應力場的重新分布，增加了煤體內的裂縫和裂隙數量，長度和張開度也大大增加，增大了煤層內裂縫、裂隙和孔隙的連通面積，從而增強了低滲透煤層的滲透性。李曉紅[5]研制了一套高壓脈沖水射流瓦斯抽采系統，并在重慶某高瓦斯低透氣性煤礦進行了工業試驗，結果表明，高壓脈沖水射流有效提高了煤層透氣性，平均百米鉆孔煤層瓦斯抽采量較原工藝提高了718倍。

通過水力割縫后再進行瓦斯抽采，煤層滲透性和瓦斯抽采范圍得到有效提高，對巷道形成很好的屏蔽作用，減小巷道兩側煤體中的瓦斯向巷道涌入，在掘進工作面前方及斜前方一定范圍內形成低瓦斯壓力區，有效提高了瓦斯抽采率[6].

1 掘進工作面概況

根據多方聯系與現場調研，本次工業性試驗選于燕竹公司3號煤31011回風巷掘進工作面，燕竹煤礦3號煤層為突出煤層，煤層賦存穩定，結構較簡單，屬中灰、低硫的優質貧瘦煤。煤層傾角一般為1°～4°，平均2°，煤層厚度2.7～3.50 m，平均2.90 m，煤層結構：0.40(0.02)2.50. 31011回風巷掘進工作面沿3號煤層布置，巷道為矩形斷面，其尺寸為5.2 m×3.7 m.

2 水力割縫施工方案

2.1 水力割縫施工方案設計

來源于巷道兩側煤體的瓦斯涌出可能會造成掘進過程中工作面瓦斯濃度超限、噴孔，甚至瓦斯突出事故。靠近兩側煤幫鉆孔采用垂直割縫進行瓦斯抽采，距孔口20 m范圍內不割縫，通過垂直割縫抽采瓦斯，增加了煤體滲透性，增大了抽采范圍，屏蔽了煤層內瓦斯向掘進巷道的涌入，能有效控制巷道側煤體中的瓦斯向巷道內部的瓦斯涌出量，減少瓦斯事故的發生；中間鉆孔采用垂直割縫，中間鉆孔相鄰的兩側鉆孔采用水平割縫，距孔口20 m范圍內皆不割縫，在水力割縫鉆孔抽采的情況下，煤層氣壓力分布均勻，掘進工作面鉆孔處的煤層氣壓力最小，隨后壓力依次增大，距離掘進工作面越遠，壓力越大，煤層的邊沿壓力沒有發生變化。整個區域，煤層氣壓力的分布是均勻的，割縫后掘進工作面及其周圍的瓦斯壓力減小很多[7-10].

2.2 水力割縫參數

水力割縫技術參數通過水力割縫中試試驗確定。試驗結果表明，在設備額定水壓(60 MPa)條件下，當退桿速度為1.5 m/s時，模擬煤層單側水力割縫寬度為1 m，縫寬為50 mm，達到了較為理想的割縫效果。

2.3 割縫鉆孔布置及施工

根據燕竹煤礦31011回風巷掘進工作面實際地質情況、巷道斷面情況，本次試驗計劃布置方式為：利用原1、原2、原3、原4、原5號鉆孔進行水力割縫消突。鉆孔深度根據《掘進施工作業規程》要求的循環掘進距離確定，深度應為60～120 m，孔徑均不小于90 mm. 各個鉆孔施工詳情及割縫記錄見圖1.

圖1 鉆孔布置方位圖

水力割縫施工于2017年3月15日—2017年3月22日進行，割縫過程嚴格按照施工方案執行，平均伸管深度為84 m，平均割縫深度為68.3 m，割縫速度均為1.5 m/s，割縫過程中存在相應的排水排渣現象。補1和補3孔割縫過程中存在瓦斯噴孔現象，表明水力割縫施工有效的促進了瓦斯的排放，降低了煤層的突出危險性。具體割縫記錄見表1.

表1 割縫記錄表

3 水力割縫消突效果分析研究

3.1 水力割縫效果觀測

在水力割縫裝備額定工況下，燕竹煤礦31011回風巷掘進工作面鉆孔割縫深度達到850 mm，割縫寬度達到43 mm，達到了良好的割縫效果。

3.2 防突效果觀測

掘進頭水力割縫的實施，可以達到很好的預防與控制瓦斯突出的效果，其機理為：1) 由于掘進煤體提前完全卸壓，從根本上消除了應力集中引起的煤體失穩突出。2) 割縫的過程相當于煤體注水，使煤體沖擊傾向降低，失穩度降低。3) 由于瓦斯超前大量預抽采，使煤體瓦斯含量和壓力大幅度降低，瓦斯內能降低，根本上消除了瓦斯突出的動力。因此，水力割縫具有很好的防突效果。

在燕竹煤礦31011回風巷掘進工作面應向前方煤體施工3個、d42 mm、孔深8～10 m的鉆孔，測定鉆屑瓦斯解吸指標(K1)和鉆屑量。 其中一個鉆孔布置在掘進巷道斷面中部，并平行于掘進方向，其他兩個鉆孔布置在第一個鉆孔兩側1.5 m處。鉆孔每鉆進1 m測定該1 m段的全部鉆屑量S，每鉆進2 m至少測定一次鉆屑瓦斯解吸指標K1值。各煤層采用鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性的指標臨界值。暫按表2的臨界值確定工作面的突出危險性。

表2 參考臨界值表

鉆孔的鉆屑量S(kg/m)計算如下：

S=S1+S2+S3

式中：

S1—根據鉆孔直徑計算的鉆屑量，kg/m；

S2—由于瓦斯能量釋放造成的鉆屑量，kg/m；

S3—由于地壓能量釋放造成的鉆屑量，kg/m.

為了對掘進工作面水力割縫消突效果進行有效評價，分別對原始掘進工作面，普通鉆孔抽采掘進工作面，以及水力割縫消突掘進工作面進行分別測定與對比分析。

掘進工作面鉆孔施工前對31011回風巷道原始掘進頭煤層突出危險性指標測定，結果見表3.

表3 原始掘進頭煤層突出危險性指標測定結果表

普通鉆孔施工完成后對31011回風巷道掘進頭煤層突出危險性指標測定，結果見表4.

表4 普通鉆孔施工后煤層突出危險性指標測定結果表

水力割縫消突施工后對31011回風巷道掘進頭煤層突出危險性指標測定，結果見表5.

通過對比K1值與鉆屑量S可以看出，燕竹煤礦31011回風巷道掘進頭K1值在0.4～0.6，平均值高達0.51，鉆屑量S在5.3～6.4，平均值高達5.78；具有顯著的突出危險性。在普通鉆孔施工完成后燕竹煤礦31011回風巷道掘進頭K1值在0.3～0.39，平均值為0.34，鉆屑量S在3～4.4，平均值為3.7；突出危險性有所降低。經過水力割縫試驗后，31011回風巷道掘進頭K1值降低至0.2～0.29，平均值僅有0.24，

表5 水力割縫施工后煤層突出危險性指標測定結果表

鉆屑量S降低至1.7～3.3，平均值僅有2.42，突出危險性大幅降低。表明掘進頭水力割縫的實施，可以有效降低煤層掘進頭的突出危險性，可以有效達到很好的煤層瓦斯突出與巷道快速掘進的目的。

4 結 論

在燕竹煤礦31011回風巷順利完成了5個循環，共計500 m的水力割縫工業性試驗。達到增加煤層透氣性，有效實現煤層消突與巷道快速掘進的目的。經過水力割縫試驗后，31011回風巷道掘進頭K1值和鉆屑量S下降顯著，其中K1值比原始巷道和普通鉆孔抽放后分別降低52.9%和29.4%，鉆屑量S比原始巷道和普通鉆孔抽放后分別降低58.1%和34.6%，突出危險性大幅降低。

對于低滲透煤層，由于難于抽放，煤層中殘余瓦斯量增大，這些殘余瓦斯在煤炭開采過程中必須以風排的形式排出礦井，不僅造成資源的浪費，而且大大地污染了環境。實施水力割縫后，煤層中更多的瓦斯被高濃度抽放，抽放的瓦斯可以利用，這樣，既增加了煤礦的收益，又大大地降低了煤礦的生產污染對環境的破壞，具有深遠的社會效益。