王軍燕

(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

水力沖孔技術(shù)是低透煤層預抽煤層瓦斯采用的最有效的增透措施之一[1]. 由于新景礦為高突礦井，采用本煤層常規(guī)鉆孔預抽瓦斯，煤層透氣性差導致鉆孔瓦斯抽放量小，不利于降低煤層瓦斯含量，解決瓦斯突出問題。相關(guān)領域?qū)＜医?jīng)研究認為高瓦斯突出煤層只有大范圍卸壓后煤層的透氣性才能得到提高，瓦斯抽采量才能提高。

新景礦在3#煤掘進工作面采用了水力造穴措施，增大了煤層透氣性，抽采效果取得了明顯成效。為了提高工作面本煤層抽采量及煤體透氣性，為工作面回采前瓦斯治理奠定基礎，決定在3216工作面對本煤層鉆孔水力造穴技術(shù)進行試驗。

1 工作面概況

新景礦3216綜采工作面位于蘆南二區(qū)北翼中部，南北走向長1 390 m，工作面長度204 m，所采3#煤厚度2.17～2.45 m，煤層傾角3°～9°，結(jié)構(gòu)簡單。煤體瓦斯壓力0.75～1.57 MPa，煤層瓦斯含量18.17～23.11 m3/t，為高突工作面。工作面布置3條主要巷道，分別為進風巷、輔助進風巷和回風巷。工作面采用Y型通風方式，即兩進一回通風法。本次試驗以3216輔助進風巷為起點，向本煤層打水力造穴鉆孔。

2 水力造穴工藝

水力造穴工藝流程為：鉆孔施工→造穴→卸鉆桿→下篩管→下封孔管→封孔→接抽。其中造穴工序是試驗的核心。

具體造穴工序為：鉆孔施工至第一個造穴位置時，鉆桿尾部更換高壓旋轉(zhuǎn)接頭，用d 25 mm的高壓快插式膠管將高壓旋轉(zhuǎn)接頭與履帶式高壓水泵站出水口連接，起動鉆機主高壓水泵站，水泵出水壓力調(diào)節(jié)到18 MPa，鉆機保持低速旋轉(zhuǎn)，前后1 m范圍內(nèi)緩慢上下鉆桿，保持造穴30 min. 停止造穴。鉆桿尾部更換金剛石復合鉆頭，繼續(xù)鉆進至下一造穴位置重復上述沖孔造穴流程。以此循環(huán)完成單孔所有造穴，造穴完成后退出鉆桿，移動鉆機到下一孔位。

造穴主要設備：ZDY4500LX型液壓鉆機，d 63.5 mm的三棱鉆桿，d 94 mm金剛石復合片鉆頭。造穴裝備示意圖見圖1.

圖1 造穴裝備示意圖

3 布孔參數(shù)確定

3.1 鉆孔間距

鉆孔間距根據(jù)單孔抽采半徑確定，即每相鄰兩孔間距應保證小于兩孔抽采半徑之和。即起始鉆孔抽采量衰減終點能處于下一孔的抽采半徑范圍內(nèi)[2]. 以此類推，保證鉆孔抽采范圍能覆蓋整個工作面所推進的長度而不出現(xiàn)中斷。如中斷區(qū)域會因為鉆孔抽采范圍無法覆蓋，當工作面推進到此區(qū)域附近時，煤體卸壓釋放的瓦斯無法抽采而涌向工作面造成瓦斯超限，帶來安全隱患。從掘進工作面水力造穴抽采實踐經(jīng)驗來看，單孔抽采半徑為4.8～5.6 m. 因此，確定鉆孔間距為5 m.

3.2 造穴間距

造穴間距的確定是保證水力造穴工藝卸壓增透效果的關(guān)鍵，間距過大無法有效消突，過小則影響施工進度。因此，在3216掘進工作面水力造穴現(xiàn)場試驗了5 m、7 m、9 m造穴間距，通過施工時間和卸壓增透效果考察，最終確定造穴間距7 m最宜。

3.3 試驗方案確定

在3216工作面輔助進風巷煤頭往外約30 m處開始施工試驗鉆孔，試驗鉆孔設計2組，每10個鉆孔為一組，鉆孔設計長度120 m. 試驗鉆孔由里向外施工。為了與試驗鉆孔對比考察抽采效果，施工前，先按原鉆孔設計及流程施工2組鉆孔。

第一組：1#～10#鉆孔，鉆孔間距5 m. 造穴鉆孔與瓦斯預抽鉆孔交替施工，5個瓦斯預抽鉆孔施工完畢后，再施工造穴鉆孔。1#、3#、5#、7#、9#為5個造穴鉆孔，從20 m開始造穴，造穴間距7 m，共設計75個造穴位置；2#、4#、6#、8#、10#共5個瓦斯預抽鉆孔,工程量為1 200 m.

第二組：11#～20#鉆孔，鉆孔間距5 m，10個鉆孔均為造穴鉆孔，造穴間距均為7 m.鉆孔從27 m開始造穴，共設計140個造穴位置，工程量1 200 m.

造穴位置參數(shù)表見表1.

表1 造穴位置參數(shù)表

4 應用效果考察

4.1 沖出煤量與造穴半徑考察

沖孔造穴是將鉆孔附近的煤體破碎排出孔洞，而其目的就是利用高壓水的不斷沖刷使孔洞的半徑不斷增大[3]， 使造穴周圍煤體向孔洞內(nèi)卸壓變形，從而釋放煤體聚集的突出壓力和富含的瓦斯[4]. 擴孔半徑可由下式計算[5]：

(1)

式中：

m—沖出的煤量，t；

γ—煤的視密度，t/m3；

d0—沖孔前鉆孔孔徑，mm；

dx—擴孔后的孔徑，mm；

l—水力沖孔的煤段長度，m.

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集并結(jié)合式(1)計算得出：造穴鉆孔平均單孔出煤量34.5 t，單孔每米出煤量0.29 t，平均造穴半徑780 mm.可見，造穴鉆孔范圍內(nèi)煤體得到了有效的卸壓增透。

4.2 抽采效果考察

試驗期間，鉆孔抽放參數(shù)每天觀測一次，經(jīng)過30 d抽放，對試驗鉆孔中造穴鉆孔與常規(guī)預抽鉆孔瓦斯抽采濃度和純量對比分析，得出試驗中造穴鉆孔平均抽采濃度為42.4%，預抽鉆孔平均抽采濃度為26%，造穴鉆孔抽采濃度為預抽鉆孔的1.6倍；造穴鉆孔抽采純量平均為0.094 m3/min，預抽鉆孔抽采純量平均為0.041 m3/min，造穴鉆孔抽采純量約為預抽鉆孔的2.3倍。造穴鉆孔與預抽鉆孔抽采效果對比見圖2，3.

圖2 造穴鉆孔與預抽鉆孔抽采濃度對比圖

由圖2，3可見，水力造穴鉆孔抽采量在10天左右出現(xiàn)明顯下降，經(jīng)研究認為：由于3#煤為低透氣煤層，無論水力造穴鉆孔還是常規(guī)鉆孔都有一定的抽采半徑，水力造穴鉆孔有效增大了抽采半徑，抽采半徑范圍內(nèi)的煤體得到了卸壓增透，有利于抽采。因此，增透區(qū)域煤體抽采量很大，經(jīng)過短期抽采后卸壓區(qū)煤體可抽瓦斯量急劇下降，之后瓦斯抽采量主要來自未卸壓的低透氣煤體，此時便出現(xiàn)水力造穴鉆孔與常規(guī)鉆孔抽采量相近的現(xiàn)象。為考察卸壓增透效果，在造穴前對試驗區(qū)煤體取煤樣測試瓦斯含量，經(jīng)過一個月的抽采后重新測試卸壓區(qū)瓦斯含量，瓦斯含量由12.47 m3/t降為7.62 m3/t，抽采達標。

圖3 造穴鉆孔與預抽鉆孔抽采純量對比圖

5 結(jié) 論

1) 采用ZDY4500LX型液壓鉆機在新景礦進行水力造穴試驗，造穴完成后根據(jù)現(xiàn)場實測得出：水力造穴鉆孔平均造穴半徑為780 mm，平均抽采濃度為預抽鉆孔的1.6倍；平均抽采純量為預抽鉆孔的2.3倍。抽采一個月后，抽采達標，瓦斯含量大幅降低。

2) 試驗研究表明，工作面本煤層應用水力造穴技術(shù)提高了突出煤層透氣性，并大幅度提高工作面瓦斯預抽采量。