平煤十二礦己15-17220 煤巷掘進工作面瓦斯抽采技術研究

段啟兵

（云南能源職業技術學院，云南 曲靖 655000）

1 工程概況

平煤十二礦己15-17220 工作面井下位于七采區，工作面傾斜長度為150 m，走向長度為910 m。工作面開采己15 煤層，煤層平均厚度3.3 m，平均傾角為20°。煤層最大瓦斯壓力為2.7 MPa，最大瓦斯含量為14.51 m3/t，且己15-17220 工作面區域瓦斯含量較高，煤層具有較高的突出危險性。己15-17220 工作面進風巷沿煤層底板掘進，巷道屬于煤巷，現為防止煤巷掘進期間出現瓦斯超限現象，在己15-17220 底抽巷（位于進風巷下側，具體工作面布置形式如圖1）采用水射流增透技術，向煤巷待掘區域施工穿層鉆孔進行瓦斯抽采，以確保巷道掘進安全。

圖1 己15-17220 工作面布置位置圖

2 水射流增透技術

2.1 水射流增透原理

水射流增透技術是一種解決高突煤層瓦斯抽采率、消除突出危險性的主要措施之一[1-2]，其主要以高效的作用對煤層形成改性。具體技術原理為：通過高壓水射流在煤體進行切割，破壞煤體內原有的結構，促進煤體內部裂隙的進一步發育。另外，高壓水射流還可對煤體應力進行有效卸除，煤體內裂隙的擴展可為瓦斯運移提供充足的通道，進而實現提高煤層透氣性的目的。在煤層內采用水射流技術時，水射流的沖擊作用會降低煤體孔隙結構中的吸附，增大煤體內部的空隙空間，實現對煤體內大量吸附瓦斯的有效抽采。

根據相關理論研究和試驗結果表明[3-4]，在高突煤層內采用水射流技術時，水射流的沖擊作用會改善煤體內的孔隙結構，使得煤體中的微小孔隙的含量減少，煤體中大孔隙的含量增大，煤體內的瓦斯更易從吸附狀態向游離狀態轉變。水射流方案實施后滲流通道的增多會加快瓦斯從孔隙向裂隙的滲透。據此可知，水射流技術可提高煤層的瓦斯抽采速率，降低煤層內的瓦斯含量，消除煤層的突出危險性。

2.2 水射流系統及工藝

水射流系統主要由高壓泵、鉆桿、噴頭、高壓膠管及鉆機等組成，具體增透工藝設施的布置形式如圖2。

圖2 水射流增透工藝示意圖

具體工藝流程如下：

（1）在巷道內按照穿層鉆孔的設計進行施工，確保穿層鉆孔穿過整個煤層區域；

（2）采用鉆機作為噴頭和鉆桿的給進動力，按照從下到上的順序進行預定鉆孔的擴孔作業；

（3）通過水射流鉆桿將水射流噴頭送至煤層段上端；

（4）連接好水射流系統中的各項設備，確保系統連接的正確性及接頭連接是否完好；

（5）水射流系統準備就緒后，進行開泵作業，泵初始運轉期間將壓力調至5 MPa，確保管路及噴頭無堵塞現象，確認無誤后逐步升高泵機壓力，直至達到設定壓力值；

（6）擴孔開始后，采用鉆機帶動鉆桿旋轉，當孔內反水時再慢慢給進，通過高壓水射流進行煤體切割；

（7）每完成一根鉆桿長度的煤層段擴孔后，需進行停泵、卸壓作業，隨后依次進行下段煤體水射流擴孔，直至擴孔作業完成。

3 瓦斯抽采方案及實施效果

3.1 瓦斯抽采方案

己15-17220 工作面進風巷瓦斯抽采采用普通抽采鉆孔與水射流鉆孔間隔交替布置，抽采方案實施時先進行普通鉆孔的打設與抽采。普通抽采鉆孔每組施工7 個，抽采鉆孔直徑為94 mm，每組鉆孔間的間距為5 m。普通抽采鉆孔施工完畢后進行大直徑水射流鉆孔的施工作業，水射流鉆孔每組施工3個，不同組之間的間距為5 m，水射流鉆孔的終孔位置布置在待掘區域。為實現待掘區域瓦斯的均衡治理，設置鉆孔的終孔位置分別位于煤巷兩幫及其內部，水射流鉆孔直徑為120 mm，每個鉆孔的出煤量為3～4 t。另外為防止水射流鉆孔在進行鉆孔與抽采期間，鉆孔周圍煤體在高壓水的作用下出現位移，導致其臨近抽采鉆孔出現變形閉合的現象，特在待抽煤巷區域內施工補償抽采鉆孔。每組水射流鉆孔內部布置2 個補償鉆孔，其直徑為94 mm，孔間距為5 m。具體鉆孔布置方式如圖3。

圖3 瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

圖3 中3#、7#和10#鉆孔為水射流鉆孔，5#和9#鉆孔為補償鉆孔，其余鉆孔均為普通抽采鉆孔。具體各類鉆孔施工參數見表1。

表1 瓦斯抽采鉆孔布置參數表

根據鉆孔施工過程中的記錄數據可知，普通抽采鉆孔在施工時偶爾出現噴孔現象，噴煤粉的最大距離為2 m，單孔最大噴煤量為1.3 t。水射流鉆孔施工過程中無噴孔現象出現，這即可表明采用普通鉆孔與水射流鉆孔配合抽采的方式可實現較好的防噴孔效果。

3.2 效果分析

為分析己15-17220 工作面進風巷在現有瓦斯抽采方案下的抽采效果，在普通鉆孔與水射流鉆孔抽采期間分別進行瓦斯抽采濃度的分析。通過對比分析驗證水射流鉆孔增透效果，根據檢測結果，為方便研究分析，現選取對24 組鉆孔瓦斯抽采濃度進行分析。該組水射流鉆孔在普通抽采鉆孔施工60 d 后進行施工。具體鉆孔瓦斯濃度變化曲線如圖4。

分析圖4（a）可知，進風巷普通抽采作業開始前期抽采濃度較高，在抽采前5 d 內抽采濃度平均為75%，隨著抽采時間的增大，普通鉆孔的瓦斯抽采濃度呈現大幅下降的趨勢，當抽采進行至第10 d時，普通鉆孔的抽采濃度僅剩下20%。進一步分析水射流鉆孔抽采瓦斯濃度可知，水射流鉆孔隨著抽采時間的增大，抽采瓦斯衰減較為緩慢，且抽采濃度較高。在抽采進行至第40 d 時，鉆孔抽采瓦斯濃度仍可保持在60%的濃度。水射流鉆孔能夠保持高濃度瓦斯抽采的主要原因為水射流對周圍煤體進行了有效的卸壓增透，充分地釋放了鉆孔周圍煤體內的瓦斯。通過上述分析可知水射流鉆孔具有較強的抽采瓦斯能力。分析圖4（b）可知，在水射流鉆孔施工后12 h 內，普通鉆孔抽采的瓦斯濃度也平均增大27.3%，產生這種現象的主要原因為水射流鉆孔對煤體增透影響至普通鉆孔周圍的煤體。

圖4 鉆孔瓦斯濃度變化曲線圖

己15-17220 工作面進風巷抽采達標后，為有效判斷巷道掘進期間是否存在突出危險性，采用鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度作為評價指標，根據相關資料可知[5-7]預測指標的參考臨界值見表2。

表2 預抽指標參考臨界值

巷道抽采完成后的測試結果如圖5 曲線圖。

圖5 突出危險性預測值對比曲線圖

分析圖5 可知，己15-17220 工作面進風巷抽采方案實施后，鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S均小于臨界值，這即表明抽采方案實施后，消除了煤巷的突出危險性，煤巷條帶的瓦斯得到了有效治理。

4 結論

根據己15-17220 工作面進風巷的地質條件，通過分析水射流增透技術原理及系統工藝，進行煤巷掘進工作面瓦斯抽采方案的設計，確定抽采方案采用普通鉆孔+水射流鉆孔+補償鉆孔相結合的抽采方式，并在抽采方案實施后進行抽采及消突效果的評價。根據分析結果可知，水射流鉆孔對煤體卸壓增透效果顯著，抽采方案有效消除了煤巷的突出危險性。