水力沖孔在趙莊煤業底抽巷的應用研究

寇 龍

（山西晉能控股集團有限公司，山西 晉城 048000）

趙莊煤業位于沁水煤盆地的南翼東部，井田內含煤地層主要為上石炭統太原組（C3t）和下二疊統山西組（P1s）。兩組總厚153.18 m，含煤15 層，煤層總厚12.80 m，含煤系數8.33%。自上而下山西組含1#、2#、3#共3層煤；太原組含5#、6#、7#、8-1#、8-2#、9#、11#、12#、13#、14#、15#、16#共12 層煤。其中1#煤層是全區不可采的極不穩定煤層，2#煤層是局部可采的不穩定煤層，3#煤層是全區穩定的主要可采煤層之一，8-1#煤局部可采而不穩定，15#煤層是全區主要可采的煤層之一，14#、16#煤層局部可采，其余煤層雖見有零星可采點，但難以構成具有工業價值的盤區段。

趙莊煤業現回采3#煤層，瓦斯問題是制約趙莊煤業發展的最大難題，也是影響趙莊礦建設安全高產高效礦井的瓶頸。由于煤體透氣性較差，百米鉆孔瓦斯流量0.000 5～0.003 9 m3/（min·hm），屬難抽放煤層，且鉆孔流量衰減系數為 0.14～0.39 d-1，短時間內很難將煤體瓦斯含量降到8 m/t 以下。為此趙莊煤業開始了水力沖孔技術研究[1-2]，經過不斷試驗，目前水力沖孔技術已在趙莊煤業推廣使用，達到了預期效果。

1 水力沖孔原理

水力沖孔是以巖柱或煤柱作為安全屏障，針對低透氣性煤層采取的一種卸壓增透措施。水力沖孔卸壓增透原理如下：

（1）沖孔期間增加了煤層的透氣性，致使煤體膨脹變形，擴大了抽放瓦斯影響范圍，通過排放大量瓦斯，提高了抽放效率，有效地降低煤層瓦斯含量。

（2）沖出大量煤體，破壞原應力平衡狀態，周圍煤體在地應力作用下向四周移動，促使應力重新分布，集中應力帶前移，有效應力降低，在沖孔區域內可起到卸壓、防突的效果。

（3）沖出煤體后，促使煤體裂隙發育，打破了原有解析瓦斯與吸附瓦斯的動態平衡，促使部分吸附瓦斯轉化為游離瓦斯，提高瓦斯抽放效果。

2 水力沖孔裝備

水力沖孔主要依靠噴嘴產生的高壓水對煤層進行沖刷切割，沖孔設備的性能決定著能否將煤體沖出及沖孔后的效果。沖孔需要使用的設備主要有鉆機、高壓水泵（清水泵）、防噴裝置、高壓密封鉆頭、高壓密封鉆桿、高壓密封水辮、高壓管、高壓控制閥、高壓噴頭等。

（1）清水泵

趙莊煤業現采用型號為BRW200/31.5 的清水泵，額定流量為200 L/min，額定功率為75 kW，額定壓力為31.5 MPa。水箱額定容量為1200 L，外形尺寸長×寬×高=2600 mm×1050 mm×1550 mm，重量700 kg。

（2）高壓密封鉆頭

高壓密封鉆頭主要包含兩部分：前部鉆頭+后部水刀。鉆頭采用拋物線式弧角形冠部結構，分層錯峰布齒，實現多軌道、分層等體積切削巖石，鉆進阻力小，重復破碎少，鉆進效率高，適用于中硬度-堅硬巖層施工。當壓力達到4 MPa 時前部鉆頭自動關閉，后部水刀自動打開。水刀內部拆卸方便，根據井下實際水壓更換壓力彈簧。

（3）高壓密封鉆桿及水辮

水力沖孔過程中，為保證孔底壓力滿足破煤要求，采用L=1000 mm 的高壓密封鉆桿。鉆桿及配套送水器耐壓在35 MPa 以上，鉆桿接頭密封方式主要靠O 型密封圈和螺紋實現密封，O 型圈置于母接頭螺紋根部結構。高壓密封送水器主要依靠螺紋及內部特制耐高壓V 型圈進行雙向密封，確保水力沖孔的壓力傳遞。

3 鉆孔設計及工藝流程

（1）鉆孔設計對比

普通鉆孔設計為每組9 個鉆孔，組間距6 m，列間距3 m，每組進尺297 m，每列相鄰兩個鉆孔的垂距按照4.5 m 設計；水力沖孔鉆孔設計為每組6 個鉆孔，組間距6 m，列間距3 m，每組進尺203 m，每列相鄰兩個鉆孔的垂距按照6.5 m 設計。鉆孔設計如圖1。

圖1 普通鉆孔與水力沖孔設計對比圖

（2）工藝流程

趙莊煤業經過多次試驗，最終確定了以下水力沖孔標準：沖孔壓力18～25 MPa；沖孔方式為穿矸見煤后開始沖孔；出煤標準為每米出煤量不低于1.0 m3。

工藝流程對比：

普通鉆孔為：開孔準備→鉆孔施工→退鉆→封孔→接抽；

水力沖孔為：開孔準備→鉆孔施工→見煤后開啟清水泵→進鉆沖孔→退鉆→封孔→接抽。

由于水力沖孔工序繁瑣，在實際操作過程中水力沖孔效率低于普通鉆孔。據統計，底抽巷普通鉆孔平均每7.5 min 施工1 m，水力鉆孔平均每16 min施工1 m，水力沖孔效率低于普通鉆孔施工效率。沖孔過程中孔口防噴裝置及接煤裝置安裝如圖2。

圖2 水力沖孔防噴裝置及接煤裝置安裝圖

4 水力沖孔效果及結論

趙莊煤業在1105 底抽巷1 單元施工了普通鉆孔，2 單元施工了水力沖孔。1105 底抽巷掩護順槽于2020 年7 月15 日開始掘進至1105 巷1、2 單元掩護區域，掘進前及掘進后相關抽采參數對比見表1。

表1 掘進前及掘進后抽采參數對比表

在單元長度相同時施工水力沖孔的進尺較普鉆鉆孔減少了31.6%，水力沖孔平均單孔抽放量較普通鉆孔提升了87%，1 單元抽采時間225 d 瓦斯含量下降了6.23 m3/t，2 單元抽采時間206 d 瓦斯含量下降了8.26 m3/t。普通穿層鉆孔掩護區域平均每月瓦斯含量下降0.83 m3/t，水力沖孔每月下降1.20 m3/t，普通鉆孔合格率78.6%，水力沖孔鉆孔合格率86.4%，水力沖孔抽采效果明顯好于普通鉆孔。

5 結論

趙莊煤業在水力沖孔單元工程量較普通鉆孔減少31.6%前提下，單孔抽放量提升了87%，采用水力沖孔后抽采達標所需時間明顯減少，所以水力沖孔有較大的推行意義。