煤巷順層瓦斯抽采鉆孔水力沖孔增透技術研究

郭育東

（山西沁和能源集團有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

在高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的煤巷掘進工作面掘進過程中，對掘進前方的煤層瓦斯進行超前預抽卸壓是保證煤巷安全掘進的必要條件。在執行超前瓦斯預抽過程中，瓦斯抽采效果差、預抽時間長是影響煤巷掘進工作面安全、高效生產的主要影響因素，究其原因，除煤層自身瓦斯含量較高外，還與抽采技術、煤層透氣性等因素相關[1-3]。因此，為解決高瓦斯煤層煤巷掘進工作面的高效超前瓦斯預抽難題，必須優化抽采技術，增加煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率。以侯村煤礦3605 工作面回風順槽煤巷掘進工作面的超前瓦斯預抽為工程背景，研究煤層增透技術以提高瓦斯抽采效率，解決該煤巷工作面掘進前方瓦斯預抽難度大、抽采效率低下問題。

1 工程概況

沁和能源集團有限公司侯村煤礦年產量120萬t，屬高瓦斯礦井。該礦3607 工作面回風順槽設計工程量1420 m，掘進的3 號煤層厚度2.7～8.2 m，均厚5.5 m，煤層傾角5°～8°，煤層硬度系數0.35，煤層透氣性系數為0.46 m2/MPa2·d，屬低透氣性煤層。煤層頂板為較為致密的粉砂巖及中粒砂巖，底板為砂質泥巖與泥巖互層。3607 工作面回風順槽設計沿煤層頂板掘進，采用錨網索聯合支護，斷面形狀為直墻矩形，斷面規格為寬×高=5.5 m×3.8 m。

3607 工作面回風順槽掘進區域煤層原始瓦斯壓力為1.67 MPa，瓦斯含量平均8.96 m3/t，在掘進前必須進行超前瓦斯預抽。該巷在掘進過程中，采取的瓦斯防治措施為超前順層鉆孔預抽煤層瓦斯。在預抽過程中，采取常規抽采方法存在抽采效率低、工期長及掘進期間仍存在風排瓦斯量較高等問題，主要原因為煤層透氣性較低。為提高瓦斯抽采效率，保障煤巷掘進工作面的安全、高效掘進，需對順層鉆孔增透助抽開展技術研究。

2 煤層水力沖孔增透技術分析

2.1 水力沖孔增透原理

采用水力沖孔進行煤層增透卸壓的主要原理是利用高壓水對鉆孔孔壁進行射流沖刷，使沖刷掉的煤體形成水煤隨鉆孔流出，從而使孔壁產生數倍于鉆孔孔徑的圓柱形空洞。形成較大空洞后，空洞周圍煤體在圍巖應力及瓦斯應力的共同作用下向空洞空間產生位移變形，即沖孔后的卸壓過程。在卸壓過程中逐步向深部產生裂隙，從而實現煤層增透。煤層增透后促進了煤層中瓦斯的解吸與排放[2]，瓦斯抽采難度得到有效降低。故通過水力沖孔后的抽采鉆孔，在抽采期間其瓦斯抽采效率將大大高于常規鉆孔。

2.2 不同類型鉆孔水力沖孔對比分析

對煤層進行瓦斯抽采的鉆孔主要分為穿層鉆孔和順層鉆孔。目前，通過水力沖孔進行煤層增透卸壓主要在煤層底板巖巷施工的穿層鉆孔中應用較多，主要原因為底板巖巷穿層鉆孔成型及穩定性較好，水力沖孔過程中不易出現塌孔、堵孔現象，且沖孔期間產生的水煤自上向下容易流出，通過控制沖孔水壓及時長即可控制沖孔卸煤量，從而實現沖孔卸壓及煤層增透的目的，但存在底板巖巷工程量大、需布置的鉆孔較多等問題。在煤層中鉆進的普通順層瓦斯抽采鉆孔，其直徑通常在73～140 mm 之間，加之煤層硬度相對較低，在鉆進過程中對孔壁周圍擾動較小，無法通過鉆進擾動實現煤層致裂增透的作用，故在低滲透性的煤層中采取的普通順層鉆孔瓦斯預抽過程中，存在預抽時間長、抽采效果差等問題。煤層中的順層鉆孔若采用水力沖孔，則會因煤層內鉆孔易塌孔導致沖孔過程中易堵孔，另存在因順層鉆孔傾角較小導致水煤流出較為困難問題，需通過研究鉆孔布置、沖孔工藝及卸煤量控制等技術以解決沖孔期間的塌孔、堵孔問題，但采用順層鉆孔進行水力沖孔，具有鉆孔工程量小、鉆孔利用率高等優點。在掘進過程中可根據前方煤層瓦斯賦存狀況進行靈活運用，對煤巷高效掘進及降低工程成本具有較大優勢。

2.3 順層鉆孔水力沖孔的關鍵技術分析

（1）沖孔工序的確定。水力沖孔期間，單孔內沖孔順序必須是由里向外，可減少堵孔因素，完成全部沖孔后需再鉆進至孔底透孔，確保成孔后埋管抽采的順利進行。

（2）沖孔水壓的控制。沖孔水壓過大，短時間內將產生大量水煤，在流出困難時易發生堵孔；沖孔水壓過小，則沖孔效率相應偏低，且造穴空間較小，達不到預期效果。故沖孔水壓的控制，應根據現場實踐能夠控制水煤大量順利流出的情況下進行確定。

（3）沖孔造穴控制。主要需控制沖孔造穴的空間大小及造穴間距，造穴空間過小，易受應力影響重新壓實，導致致裂增透效果欠佳；造穴空間過大，易造成空洞穩定性較差，發生大范圍塌孔及堵孔現象。根據目前眾多實踐及理論分析成果可知，造穴空間長度宜控制在1 m 左右，造穴半徑宜控制在0.5 m 以內[4-5]，造穴間距與周圍鉆孔的密度相關，但不宜小于4 m，確保鉆孔造穴后的穩定性。順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖如圖1。

圖1 順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖（m）

3 水力沖孔工藝與方案

3.1 水力沖孔系統

水力沖孔系統包含用于儲水、過濾的水箱，用于水力增壓的高壓泵及壓力表，以及組成鉆進設備的鉆機、鉆桿和連接鉆桿的水力沖孔接頭等，其組成如圖2。

圖2 水力沖孔系統組成示意圖

3.2 水力沖孔工藝流程

（1）將水箱、高壓泵與鉆機連接后，在鉆頭往后的第2～3 根鉆桿位置連接水力沖孔接頭，然后在設計施鉆位置開始鉆進，利用螺旋鉆桿排出鉆進煤粉，直至鉆進至設計孔深位置停鉆。

（2）確認水箱、高壓泵及管路連接密閉良好后，開啟高壓泵，待壓力升至設計壓力后，緩慢開啟控制閥，向鉆桿內注入高壓水，直至觀察孔內有水流出。

（3）鉆孔內有水流出后，開啟鉆機，同時將高壓控制閥完全打開，鉆機帶動鉆桿繼續向前緩慢鉆進進行水力沖孔，長度達到一個造穴長度后停鉆并停止沖水。

（4）水力沖孔完成一個造穴長度后，將鉆桿退出一個造穴間距加上一個造穴長度后，重新開啟高壓泵沖水并開啟鉆機向前鉆進進行水力沖孔造穴。如此往復進行后退式沖孔，直至完成一個鉆孔的全部沖孔設計。

（5）完成一個鉆孔的全部沖孔后，在停水狀態下，再向鉆孔內鉆進至設計孔深，并開啟壓風排粉，達到透孔的目的。

（6）透孔完成后，將鉆桿全部退出，采用兩堵一注法對該孔進行埋管抽采。

3.3 鉆孔布置及沖孔造穴方案設計

設計超前瓦斯抽采鉆孔循環深度為100 m，鉆孔呈扇形布置，前方控制100 m，巷道兩側控制不小于30 m，斷面內共布置9 個鉆孔，沖孔水壓控制最高16 MPa。根據鉆孔布置，設計單孔造穴間距時，因鉆孔由淺至深呈現鉆孔間距由小到大的變化，將鉆孔按照深淺劃分為4 個區域。其中，鉆孔80～100 m 范圍劃分為Ⅰ區，造穴間距設計為5 m；鉆孔60～80 m范圍劃分為Ⅱ區，造穴間距設計為6 m；鉆孔40～60 m范圍劃分為Ⅲ區，造穴間距設計為8 m；鉆孔20～40 m 范圍劃分為Ⅳ區，造穴間距設計為14 m。造穴長度均設計為1 m。根據鉆孔布置及造穴密度，各區域造穴數量、出煤量及出煤率要求見表1，鉆孔設計及造穴布置如圖3。

表1 各區域水力沖孔出煤率要求表

圖3 鉆孔設計及造穴布置方案示意圖（m）

4 效果分析

3607 工作面回風順槽在超前預抽鉆孔施工第8循環中采取了水力沖孔增透措施，為驗證水力沖孔增透效果，充分收集了第8 循環的瓦斯抽采純量、抽采濃度及抽采時間，并與僅采取普通順層鉆孔抽采的第3 循環進行對比，兩個循環所收集的瓦斯抽采數據如圖4。

圖4 水力沖孔增透后瓦斯抽采數據圖

由圖4 分析兩個循環在10 d 內抽采的瓦斯數據可知，3607 工作面回風順槽在第三循環平均瓦斯抽采濃度為18%，平均瓦斯抽采純量為0.38 m3/min；采取了水力沖孔增透措施的第8 循環在10 d 內平均瓦斯抽采濃度高達34%，是第3 循環的1.9 倍，平均瓦斯抽采純量高達2.3 m3/min，是第3 循環的6 倍。根據兩個循環對比可知，采取水力沖孔后的鉆孔瓦斯抽采效率得到大幅提升。

另根據瓦斯抽采達標時間進行對比，第3 循環鉆孔全部成孔時間為3 d，預抽至抽采達標時間為19 d，共計循環瓦斯治理時間為22 d；第8 循環鉆孔成孔及水力沖孔時間為7 d，預抽至抽采達標時間為12 d，共計循環瓦斯治理時間為19 d，相對第3 循環減少3 d。且第8 循環瓦斯抽采后，殘余瓦斯含量及鉆屑解析指標的測試結果均明顯低于第3 循環，巷道內風排瓦斯量也有明顯降低，有效保障該巷的安全掘進。

5 結語

對在低透氣性煤層施工的順層瓦斯抽采鉆孔采取水力沖孔造穴增透后，瓦斯抽采濃度及抽采純量能夠得到大幅提升，可有效提高瓦斯抽采效率，解決低透氣性煤層順層鉆孔瓦斯抽采效率低、預抽時間長及殘余瓦斯含量高等問題，為工作面安全高效掘進打下基礎。