平煤股份一礦順層鉆孔水力造穴瓦斯治理技術的研究與應用

李軍偉 劉建平

（平頂山煤礦股份有限公司一礦）

順層鉆孔水力造穴瓦斯治理技術是低透氣煤層預抽煤層瓦斯最有效的增透措施之一［1］，平煤股份一礦為瓦斯突出礦井，深部戊組煤層為瓦斯突出煤層，戊8-31220采面為深部戊組煤層突出危險工作面，采面在回采前采取區域順層預抽區段煤層瓦斯防突措施，盡管已實現瓦斯抽采達標，消除了采面回采期間的突出危險，但戊組煤層為低透氣煤層，回采時仍會出現煤體片幫造成瓦斯超限和高值現象，為解決這一難題，經過研究決定，在戊8-31220采面機巷實驗施工順層水力造穴鉆孔，采用水力沖孔措施后，孔洞周圍煤體向孔洞方向發生大幅度的移動，造成媒體的膨脹變形和頂、底板間的相向位移，煤層的彈性勢能及潛能得到釋放，煤體裂隙大量發育，透氣性能提高［2］，促進瓦斯的進一步解析和釋放，有效地實現對煤體的卸壓增透，煤體瓦斯抽采取得了較好的效果，進而解決平煤股份一礦深部戊組煤層瓦斯超限或高值的問題。

1 戊8-31220工作面概況

戊8-31220工作面位于三水平下延戊一上山采區西翼上部第一個工作面，工作面標高為-732～-819 m。地面標高為+141～+170 m，埋深為810～933 m，瓦斯含量為2.8～5.85 m3/t，瓦斯壓力為0.27～0.68 MPa。工作面機、風巷呈平行布置，工作面圈定區域為原生煤，與其他工作面不存在壓茬關系。

該采面內戊8煤層厚度為1.6～2.6 m，平均厚度為1.9 m，局部受斷層影響，煤厚變化較大。煤層上部和下部較硬，中部含0.1～0.5 m厚的軟煤，戊8煤層與戊9、10煤層層間距為3.7～10.9 m，層間距東薄西厚。煤層傾角為14～20°，由里向外傾角逐漸增大，采面傾斜長隨著煤層傾角變大而逐漸增長，采面里段煤層平均傾角為14°，中部煤層平均傾角為18°，外段煤層平均傾角為20°。煤體堅固性系數f值為0.3～1.0，煤層透氣性差，屬于難以抽采煤層。

2 順層鉆孔水力造穴原理

水力造穴主要利用高壓水力射流，通過對煤層進行擴孔造穴，增加煤體暴露面積，給煤層內部卸壓，為瓦斯釋放和流動創造良好條件，造穴周圍煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性［3］。

順層鉆孔水力造穴選用BPW315/12.5Ⅱ型增壓泵做為水力造穴液壓泵，水力造穴鉆桿選用φ73 mm專用高壓密封鉆桿、φ94 mm專用造穴鉆頭。水力造穴鉆頭在普通PDC金剛石復合片鉆頭基礎上，在側邊增設造穴高壓噴頭，鉆頭內部增加高低壓轉換裝置。

工作原理（圖1）：低水壓（小于5 MPa）時，鉆頭所增設的高壓噴頭關閉，鉆頭原噴嘴出水，清洗打鉆產生的煤（巖）粉并冷卻鉆頭，進行普通打鉆；高水壓（大于5.5 MPa）時，原噴嘴關閉，高壓噴頭出水，沖擊鉆頭側面煤體，實施水力造穴。

3 水力造穴鉆孔設計

根據戊8-31220采面煤層賦存及生產情況，在該采面機巷自采面向外大于100 m處，在機巷上幫垂直煤壁向采面施工水力造穴鉆孔（布孔剖面見圖2），隨著采面向外推進逐漸向外施工水力造穴鉆孔，水力造穴鉆孔孔間隔為5～8 m，先采用直徑113 mm的鉆頭用壓風施工，再用直徑94 mm水力造穴鉆頭施工，設計孔深為60～80 m，水平角為90°，傾角平均為20°（16～24°，實際傾角根據煤層傾角變化情況可適當調整）。順層鉆孔施工到設計位置后開始后退式造穴，造穴孔0～29 m范圍內不進行造穴，30～80 m范圍內自里向外依次進行造穴，造穴間距為5～8 m，每次造穴沖孔長度為1～3 m，即80～78、72～70、64～62、56～54、48～46、40～38、32～30 m進行水力造穴，每次水力造穴沖孔時間不低于20 min。

4 水力造穴鉆孔施工及抽采情況

戊8-31220采面機巷上幫順層水力造穴鉆孔自2020年12月2日開始施工，截至2021年1月25日，共施工23個水力造穴鉆孔，鉆孔施工均為垂直機巷上幫、17°仰角沿煤層施工，孔深為60～80 m。水力造穴鉆孔施工及抽采情況如表1、表2所示。

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5 水力造穴鉆孔效果分析情況

5.1 造穴鉆孔與未造穴鉆孔抽放量

根據表1可知，水力造穴鉆孔混合量為52.6～156 L/min，平均混合量為99.5 L/min，純量為36.3～97.1 L/min，平均純量為35.3 L/min；未造穴的本煤層鉆孔混合量為7.1～12 L/min，平均混合量為9.55 L/min，純量為3.3～4.8 L/min，平均純量為4.05 L/min。造穴鉆孔比未造穴鉆孔的平均混合量提高89.55 L/min，提高了938%；平均純量提高31.45 L/min，提高了777%，水力造穴鉆孔沖出大量煤后形成的大直徑空洞保證了沖孔造穴后的抽放效果［4］。

5.2 未造穴中間鉆孔與本煤層孔抽放量

根據表2可知，2個造穴孔中間的未造穴孔的混合量為18～23 L/min，平均混合量為20.7 L/min，純量為10.1～14.5 L/min，平均純量為12.3 L/min；未造穴的本煤層鉆孔混合量為7.1～12 L/min、平均混合量為9.55 L/min，純量為3.3～4.8 L/min、平均純量為4.05 L/min，2個造穴孔中間的未造穴孔比本煤層鉆孔的平均混合量提高11.15 L/min，提高了117%，平均純量提高了8.25 L/min，提高了203%。

5.3 抽放系統分支管路抽放濃度

在未施工水力造穴鉆孔前，抽放系統分支管路抽放濃度為5%～6%，抽放純量為0.45～0.54 m3/min，施工水力造穴孔后，抽放系統分支管路抽放濃度為13%～18%，抽放純量為1.43～1.98 m3/min，造穴后比造穴前抽放系統分支管路抽放濃度提高了8%～12%，總濃度提高160%～200%；抽放純量提高了0.98～1.44 m3/min，總純量提高220%～270%。

5.4 施工水力造穴鉆孔前、后采面瓦斯涌出量

根據目前采面所回采推進情況，采面已回采過去的水力造穴鉆孔施工深度為50～65 m，根據表3、表4比較分析，未施工水力造穴鉆孔前，采面打鉆期間平均瓦斯涌出量為6.22 m3/min，生產期間為4.52 m3/min，施工水力造穴鉆孔后，采面打鉆期間平均瓦斯涌出量為3.97 m3/min，生產期間為2.06 m3/min，造穴后采面打鉆期間平均瓦斯涌出量減少了2.25 m3/min，生產期間減少了2.46 m3/min。

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6 結 論

順層水力造穴鉆孔施工后，在同等瓦斯抽采條件下，水力造穴鉆孔抽放量是本煤層鉆孔抽放量的8～10倍，水力造穴鉆孔施工過程中沖出了大量的煤屑，在鉆孔內部形成的孔洞使周圍煤體充分卸壓，煤層原巖應力被破壞，使得造穴鉆孔周圍煤層裂隙發育，瓦斯滲透率大幅度提高，煤層中的瓦斯得到解吸和釋放，從而釋放出瓦斯內能，降低煤體中瓦斯含量［5］，從而降低了采面瓦斯涌出量，減少了礦井瓦斯災害的威脅，為高瓦斯及突出礦井的安全生產提供技術保障。