穿層鉆孔水力沖孔工藝優(yōu)化與實(shí)踐

路東升

（河南永錦能源有限公司，河南 許昌 461670）

0 引 言

目前我國(guó)有許多礦井瓦斯抽采濃度低、抽采不達(dá)標(biāo)，造成抽采盲區(qū)，給礦井安全生產(chǎn)埋下隱患[1]，在生產(chǎn)過(guò)程中，極易導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故，瓦斯災(zāi)害威脅嚴(yán)重，三軟煤層瓦斯突出礦井普遍采用密集孔高負(fù)壓的工藝措施進(jìn)行瓦斯抽采，但抽采效果不理想，一方面，三軟煤層的煤體透氣性差，瓦斯運(yùn)移困難；另一方面三軟煤層的煤體松軟(f＜0.5)，塌孔堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，堵塞瓦斯運(yùn)移通道[2]。通過(guò)對(duì)穿層鉆孔的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高抽放濃度和抽采量的目的，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。

1 概 況

根據(jù)河南省地層區(qū)劃，禹州煤田位于華北板塊南緣嵩箕構(gòu)造區(qū)汝陽(yáng)—確山小區(qū)之禹州煤田景家洼向斜北翼西段。云蓋山煤礦一礦位于禹州煤田西部，主要開(kāi)采二1煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定，煤層透氣性系數(shù)為0.435 m2/（MPa2·d），衰減系數(shù)為 0.02 ～ 0.11 d-1，堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.37，屬“兩軟一硬”煤層，煤巷掘進(jìn)區(qū)域采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯煤層瓦斯的方法并配合水力沖孔卸壓增透措施。

2 穿層鉆孔施工現(xiàn)狀及優(yōu)化方案

22206 運(yùn)輸順槽采取在22206 底抽巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的措施，根據(jù)河南理工大學(xué)測(cè)定的水力沖孔抽放半徑每米煤段沖出煤量1 m3，3 個(gè)月抽放半徑為10 m，穿層鉆孔按照組間距8 m 進(jìn)行布置，每組鉆孔6 ～9 個(gè)，對(duì)瓦斯原始?jí)毫Α?.6 MPa 或瓦斯含量≥6 m3/t 的區(qū)域適當(dāng)縮小鉆孔組間距，補(bǔ)充6 個(gè)加密鉆孔，為了不影響正常的措施鉆孔，此次對(duì)加密鉆孔的DB48 組和DB49 組進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)化后的鉆孔1、3、5 的鉆孔見(jiàn)煤后采用壓風(fēng)排渣，不進(jìn)行水力沖孔，全程下篩管封孔（下稱試驗(yàn)組）；2、4、6 號(hào)鉆孔進(jìn)行水力沖孔，泄煤量為6 個(gè)鉆孔應(yīng)沖煤量之和，與水力沖孔組DJ48組和DJ49 組（下稱對(duì)比組） 進(jìn)行抽采參數(shù)對(duì)比。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和效果考察

3.1 鉆孔施工情況

在22206 底抽巷里程380 ～412 m 進(jìn)行試驗(yàn)，該區(qū)域相對(duì)煤層賦存較為穩(wěn)定，煤厚2.5 ～3.3 m，平均煤厚3 m，最大原始瓦斯壓力0.3 MPa，原始瓦斯含量6.41 ～7.0 m3/t。試驗(yàn)組和對(duì)比組的穿煤長(zhǎng)度和實(shí)際沖孔沖出煤量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)組由于只有2、4、6 號(hào)鉆孔進(jìn)行水力沖孔，整組沖出的煤量均減少了2.5 m3。試驗(yàn)鉆孔布置示意如圖1 所示。

表1 對(duì)比組與試驗(yàn)組水力沖孔沖出煤量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of hydraulic punching of coal output between the comparison group and the test group

圖1 試驗(yàn)鉆孔布置Fig.1 Arrangement of test boreholes

3.2 抽采參數(shù)對(duì)比

鉆孔采用打一個(gè)、封一個(gè)、開(kāi)抽一個(gè)、觀測(cè)一個(gè)的方法，鉆孔測(cè)定初抽濃度后記錄在檔，全部施工結(jié)束后，進(jìn)行初抽濃度對(duì)比。在試驗(yàn)期間抽放負(fù)壓在18.6 ～23.4 kPa，波動(dòng)較小，在數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)組和對(duì)比組抽放負(fù)壓情況基本一致，不再進(jìn)行負(fù)壓對(duì)比。

3.2.1 初始濃度對(duì)比

通過(guò)初始濃度對(duì)比，水力沖孔組的初始濃度均大于部分水力沖孔組，由于水力沖孔組全部水力沖孔后釋放大量高濃度瓦斯，水力沖孔組的初抽濃度最大98%，部分水力沖孔組的初抽濃度最大90%，水力沖孔組的初抽濃度最小68.4%，部分水力沖孔組的初抽濃度最小65%，水力沖孔組的初抽濃度略大于部分水力沖孔組（圖2）；水力沖孔組和部分水力沖孔組的最大初抽濃度均為92.4%，水力沖孔組最小初抽濃度54%，部分水力沖孔組的初抽濃度最小82%，水力沖孔組的初抽濃度略低于部分水力沖孔組（圖3）。

圖2 DJ48 組和DB48 組初始濃度對(duì)比Fig.2 Comparison of initial concentrations between DJ48 group and DB48 group

圖3 DJ49 組和DB49 組初始濃度對(duì)比Fig.3 Comparison of initial concentrations between DJ49 group and DB49 group

3.2.2 組抽放濃度對(duì)比

水力沖孔組最大抽放濃度50%，部分水力沖孔組最大抽放濃度38%，受水力沖孔的影響抽放濃度出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，且沒(méi)有明顯的變化規(guī)律（圖4）。水力沖孔組最大抽放濃度37.2%，部分水力沖孔組最大抽放濃度38%，抽放10 d 后，部分水力沖孔組的抽放濃度高于水力沖孔組，結(jié)合表1 進(jìn)行分析，DJ49 組沖出煤量36.5 m3，DB49 組沖出煤量29.1 m3，疑DJ49 水力沖孔后，脫落的煤泥堵塞封孔花管，導(dǎo)致抽放濃度降低（圖5）。

圖4 DJ48 組和DB48 組抽放濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of pumping concentration between DJ48 group and DB48 group

圖5 DJ49 組和DB49 組抽放濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of pumping concentration between DJ49 group and DB49 group

3.2.3 組抽放流量對(duì)比

水力沖孔組最大混合流量0.3 m3/min，部分水力沖孔組最大混合流量0.34 m3/min，水力沖孔組混合流量均小于部分水力沖孔組，疑水力沖孔后，脫落的煤泥堵塞封孔花管，導(dǎo)致水力沖孔組的抽放流量較小（圖6）；水力沖孔組最大混合流量0.08 m3/min，部分水力沖孔組最大混合流量0.103 m3/min（圖7）。

圖6 DJ48 組和DB48 組混合流量對(duì)比Fig.6 Comparison of mixed traffic between DJ48 group and DB48 group

3.2.4 組抽放量對(duì)比

水力沖孔組單日最大抽采量216 m3，部分水力沖孔組單日最大抽采量88.1 m3，水力沖孔組水力沖孔后釋放大量的瓦斯，使抽放初期抽采量偏高，在抽放12 d 后，水力沖孔組的單日抽采量低于部分水力沖孔組，且下降后呈平穩(wěn)趨勢(shì)，結(jié)合沖出煤量、抽放濃度及詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)人員等進(jìn)行綜合分析，部分水力沖孔組在連抽期間，抽放管內(nèi)部有粒狀物摩擦的聲音，證明部分水力沖孔組部分鉆孔抽放通道暢通，抽采量增加（圖8 ～圖9）。

圖7 DJ49 組和DB49 組混合流量對(duì)比Fig.7 Comparison of mixed traffic between DJ49 group and DB49 group

圖8 DJ48 組和DB48 組抽采純量對(duì)比Fig.8 Comparison of extraction scalar volume between DJ48 group and DB48 group

圖9 DJ49 組和DB49 組抽采純量對(duì)比Fig.9 Comparison of extraction volume between DJ49 group and DB49 group

3.2.5 累計(jì)抽采量對(duì)比

為了使對(duì)比更加直觀，對(duì)水力沖孔組和部分水力沖孔組抽放33 d 累計(jì)抽采量統(tǒng)計(jì)對(duì)比，試驗(yàn)組比對(duì)比組抽采量分別增加了489.6 m3、496 m3（表2）。

表2 抽采量統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 2 Statistical comparison of extraction volume

3.2.6 施工工效對(duì)比

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)組6 個(gè)鉆孔，只有3 個(gè)鉆孔進(jìn)行水力沖孔，施工時(shí)間為9 個(gè)小班，對(duì)比組6 個(gè)鉆孔全部進(jìn)行水力沖孔施工時(shí)間為12 小班，試驗(yàn)組比對(duì)比組施工工效提高了3 小班。

4 結(jié) 論

（1） 采用水力沖孔與不沖孔相結(jié)合的方法，能有效防止鉆孔堵塞，提高瓦斯抽采量。

（2） 不沖孔的鉆孔，聯(lián)網(wǎng)需增加除渣箱的數(shù)量并定期清理，防止煤粉抽入抽放管路。

（3） 部分不沖孔的鉆孔在施工工效上提高了1.3 倍。

（4） 采用穿層鉆孔水力沖孔增透和非水力沖孔相結(jié)合的抽采方法，可在同等地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用。