劉新民

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦井下一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，其致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，到目前為止，突出發(fā)生原因、規(guī)律尚未完全掌握，煤與瓦斯突出防治仍然是一項(xiàng)世界性難題[1-2]。在有突出危險(xiǎn)的厚煤層進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，往往由于掘進(jìn)區(qū)域煤體內(nèi)殘余瓦斯含量仍然較高，導(dǎo)致瓦斯涌出量大，巷道內(nèi)瓦斯容易超限，常常影響巷道的掘進(jìn)速度。掘進(jìn)速度又影響正常的采掘接替，因此，往往會(huì)造成本煤層瓦斯預(yù)抽時(shí)間短，抽采率低等問(wèn)題，給工作面安全回采帶來(lái)了隱患。

多年的開采實(shí)踐證明，開采保護(hù)層是國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)可的消除煤層突出危險(xiǎn)，提高煤層瓦斯抽采效率的有效措施。但是對(duì)于高應(yīng)力、透氣性差且無(wú)保護(hù)層開采條件的突出煤層進(jìn)行卸壓增透成為行業(yè)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著科技裝備的發(fā)展，高壓水射流擴(kuò)孔卸壓增透技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種比較成熟的卸壓增透措施，通過(guò)采用高壓水射流作用將鉆孔內(nèi)部分煤體沖出，卸除鉆孔周邊煤體應(yīng)力，在煤體中制造裂隙，增加煤層透氣性，加快煤體瓦斯解吸速度，強(qiáng)化瓦斯抽采效果。高壓水射流擴(kuò)孔卸壓增透技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的安全防突措施[3-9]。

1 試驗(yàn)工作面概況

桑樹坪煤礦為突出礦井，開采的2#、3#、11#煤層均為突出煤層，其中主采3#煤層為近水平嚴(yán)重突出厚煤層，共發(fā)生突出122次，表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型突出。礦井開采突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小的2#、11#煤層保護(hù)主采3#煤層，但礦井北翼上覆近距離2#煤層部分區(qū)域不可采，同時(shí)下伏11#煤層受奧灰水害威脅嚴(yán)重也不具備下保護(hù)層開采條件。因此，直接開采近水平嚴(yán)重突出厚煤層預(yù)抽綜合防突技術(shù)是礦井可持續(xù)生產(chǎn)重大安全生產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)難題。針對(duì)桑樹坪煤礦不具備開采保護(hù)層條件區(qū)域，以4321工作面為試驗(yàn)工作面，開展底板巷上向穿層鉆孔高壓水射流擴(kuò)孔卸壓增透強(qiáng)化煤巷條帶區(qū)域瓦斯抽采試驗(yàn)。

以桑樹坪煤礦北一采區(qū)下山的4321工作面作為試驗(yàn)工作面，該工作面區(qū)域3#煤層埋深為500～560 m。工作面采用傾斜條帶布置，仰斜開采，傾斜可采長(zhǎng)度1 133 m，切眼寬度170 m，在設(shè)計(jì)的4321運(yùn)輸順槽正下方20 m的底板中布置一條底板瓦斯抽放巷，如圖1所示。

圖1 4321工作面巷道布置示意圖

4321工作面3#煤層位于二疊系下二疊統(tǒng)山西組中部，為厚煤層，煤厚3.5～14.0 m，平均7.0 m，具體表現(xiàn)為上部偏薄、中下部較厚的特點(diǎn)。3#煤層土狀構(gòu)造，似土質(zhì)煤，煤體破壞類型為Ⅴ類，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.1～0.3。工作面傾斜上部直接頂為中砂巖、粉砂巖，頂板巖性堅(jiān)硬，平均厚度16.65 m；傾斜下部含砂質(zhì)泥巖頂板，厚度為3.0 m；老頂為中砂巖。3#煤層直接底板主要是細(xì)砂巖，堅(jiān)硬致密，平均厚度3.0 m。韓城礦區(qū)具有6級(jí)淺源地震地壓背景，煤系地層層滑構(gòu)造發(fā)育，煤層賦存厚度變化大，其頂?shù)装鍍?chǔ)存了大量彈性能，應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險(xiǎn)性增加。在4321工作面試驗(yàn)區(qū)域測(cè)得3#煤層原始瓦斯壓力為0.88 MPa，瓦斯含量8.69 m3/t，屬較難抽采煤層。

2 高壓水射流擴(kuò)孔增透技術(shù)及裝備

2.1 高壓水射流擴(kuò)孔增透機(jī)理

由高壓泵作為高壓水射流動(dòng)力源，通過(guò)高壓鉆桿帶動(dòng)擴(kuò)孔鉆頭旋轉(zhuǎn)，高壓水射流對(duì)鉆孔周邊的煤體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式切割與鉆進(jìn)，同時(shí)利用擴(kuò)孔鉆頭鉆切齒切割并破碎大塊煤以提高排渣效果。高壓擴(kuò)孔鉆桿沿鉆孔軸向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)從而對(duì)整個(gè)鉆孔的徑向連續(xù)擴(kuò)孔，進(jìn)而增加鉆孔直徑和煤層暴露表面積，提高煤體的卸壓增透效果，有效提升單孔抽采瓦斯量和抽采效率，快速降低或消除突出潛能[10-11](彈性能、瓦斯?jié)撃?，如圖2所示。

a-普通鉆孔；b-擴(kuò)孔鉆孔圖2 普通與擴(kuò)孔鉆孔抽采對(duì)比示意圖

高壓水射流鉆擴(kuò)技術(shù)能夠有效增加煤層透氣性，進(jìn)而增大煤層抽采半徑，減少鉆孔工程量，縮短抽采時(shí)間。利用水射流鉆擴(kuò)一體化技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)區(qū)域均勻卸壓、提高透氣性和促進(jìn)瓦斯抽放的作用，降低或消除突出的彈性能與瓦斯?jié)撃堋Ｍ怀雒簩用合飾l帶區(qū)域消突及石門揭煤采用穿層鉆孔高壓水射流鉆擴(kuò)一體化卸壓防突技術(shù)安全可靠，效果顯著。

2.2 一體化技術(shù)工藝及參數(shù)選型

高壓水射流鉆擴(kuò)一體化裝置主要由高壓清水泵、高壓鉆桿、擴(kuò)孔鉆頭、高壓旋轉(zhuǎn)水尾、水箱、高壓膠管、高壓閘閥、礦用鉆機(jī)等組成。高壓水射流擴(kuò)孔一體化技術(shù)工藝如圖3所示。鉆孔施工至預(yù)定深度后，開啟高壓清水泵，高壓水通過(guò)噴嘴在鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下對(duì)孔壁進(jìn)行沖刷切割，增加或者拆卸鉆桿實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔和后退擴(kuò)孔，直到擴(kuò)孔段的長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)孔作業(yè)結(jié)束。

圖3 高壓水射流鉆擴(kuò)一體化技術(shù)工藝示意圖

擴(kuò)孔噴嘴直徑φ2.0～4.0 mm，煤層堅(jiān)固性系數(shù)越小其選擇的噴嘴直徑越大，同時(shí)兼顧流量排屑的影響。試驗(yàn)區(qū)煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.1～0.3，確定選擇噴嘴直徑φ3.0 mm，不同泵流量下的排屑情況見(jiàn)表1，泵流量達(dá)到200 L/min時(shí)，可保證煤屑與水混合物順暢排出。根據(jù)試驗(yàn)情況，選擇噴嘴直徑φ3.0 mm，泵流量≥200 L/min，泵的工作壓力18 MPa。由于煤層松軟，若采用鉆孔施工完畢后倒退擴(kuò)孔，一方面鉆孔本身難以成孔，另一方面倒退擴(kuò)孔過(guò)程中易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，因此，確定采用鉆孔見(jiàn)煤后直接擴(kuò)孔的方式。

表1 不同泵流量下的排屑情況

3 高壓水射流擴(kuò)孔效果初步試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)考察擴(kuò)孔鉆孔布置

在桑樹坪煤礦北一采區(qū)4321底板巷設(shè)計(jì)4組觀察鉆孔，4組鉆孔終孔間距依次分別為6 m×6 m，6 m×6 m，8 m×8 m，10 m×10 m。鉆孔控制4321回順輪廓線外范圍≥15 m。設(shè)計(jì)鉆孔直徑94 mm，鉆孔應(yīng)穿過(guò)煤層0.5 m，擴(kuò)孔鉆孔見(jiàn)煤后使用高壓水射流鉆擴(kuò)一體化裝置進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔鉆孔布置如圖4所示。對(duì)不同擴(kuò)孔方式、鉆孔間距、排出煤屑率、擴(kuò)孔前后鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)等進(jìn)行觀察。

圖4 高壓水射流擴(kuò)孔初步試驗(yàn)鉆孔布置圖

3.2 試驗(yàn)效果分析

3#煤層擴(kuò)孔前鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.079 6～0.102 0 d-1，屬于較難抽采煤層，擴(kuò)孔后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.018 1～0.039 2 d-1，屬于可以抽采煤層，減小3～7倍。擴(kuò)孔后鉆孔流量由1.085 5 L/min提高至2.377 1 L/min，鉆孔瓦斯涌出量提高2倍，見(jiàn)表2。通過(guò)擴(kuò)出煤屑率、擴(kuò)孔前后鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)等結(jié)果對(duì)比分析得出：通過(guò)高壓水射流擴(kuò)孔，煤層的可抽性得到明顯改善。

表2 擴(kuò)孔前后鉆孔瓦斯涌出相關(guān)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

初步試驗(yàn)區(qū)域每組擴(kuò)孔鉆孔擴(kuò)出煤屑率進(jìn)行分析，排出煤屑率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 排出煤屑率統(tǒng)計(jì)表

全擴(kuò)試驗(yàn)擴(kuò)孔區(qū)域排出煤屑率1.35%～2.49%，隨鉆孔間距的增大而減?。环治稣J(rèn)為擴(kuò)孔鉆孔間距為6 m時(shí)，卸壓效果較理想。

4 高壓水射流擴(kuò)孔擴(kuò)大試驗(yàn)

4.1 擴(kuò)大試驗(yàn)穿層鉆孔布置

基于底板巷初步試驗(yàn)擴(kuò)孔鉆孔的抽采效果及抽采半徑，優(yōu)化設(shè)計(jì)后續(xù)底板巷延伸區(qū)域的3～8號(hào)鉆場(chǎng)區(qū)域擴(kuò)孔鉆孔，采用6 m×6 m完全擴(kuò)孔方式，擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)擴(kuò)孔鉆孔布置以4號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔為例，如圖5所示。

圖5 高壓水射流擴(kuò)孔擴(kuò)大試驗(yàn)鉆孔布置圖

4.2 擴(kuò)大試驗(yàn)預(yù)抽效果分析

擴(kuò)大試驗(yàn)采用完全擴(kuò)孔方式，試驗(yàn)區(qū)排出煤屑率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。普通區(qū)域每組平均單個(gè)孔排出煤屑量1.67～2.67 t，普通區(qū)域每組排出煤屑率1.24%～2.41%。

表4 擴(kuò)大試驗(yàn)排出煤屑率統(tǒng)計(jì)表

底板巷采用穿層擴(kuò)孔對(duì)4321運(yùn)順條帶預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)，抽采負(fù)壓0.12～23.73 kPa，混合流量2.78～36.35 m3/min，濃度8.04%～52.35%，平均23.86%；日抽采瓦斯量658.96～11 987.5 m3，日均5 282.65 m3，平均單孔抽采量0.033 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯73.64萬(wàn)m3，如圖6所示。礦井普通鉆孔預(yù)抽濃度一般不超過(guò)10%，單孔抽采量0.020 m3/min，擴(kuò)孔前后相比，擴(kuò)孔的抽采濃度及抽采量都顯著提高。同時(shí)，通過(guò)水力擴(kuò)孔排出大量煤屑，增大了煤層內(nèi)部自由空間，卸除煤層中的部分應(yīng)力，消除突出的煤體彈性能，對(duì)控制桑樹坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型突出效果顯著。

圖6 擴(kuò)孔鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

試驗(yàn)區(qū)3#煤層瓦斯含量最高為8.69 m3/t，按照預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量目標(biāo)5 m3/t計(jì)算，擴(kuò)孔試驗(yàn)區(qū)域應(yīng)該抽采瓦斯39.41萬(wàn)m3，達(dá)到預(yù)期抽采目標(biāo)。4321運(yùn)輸巷高壓水射流擴(kuò)孔試驗(yàn)段效果檢驗(yàn)3#煤層殘余瓦斯含量4.24～5.95 m3/t，平均為5.08 m3/t，殘余瓦斯含量值小于規(guī)定的臨界值8 m3/t，且驗(yàn)孔時(shí)在煤層中未產(chǎn)生噴孔、頂鉆等其他突出預(yù)兆，確定4321運(yùn)輸巷試驗(yàn)段區(qū)域無(wú)突出危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1)高壓水射流擴(kuò)孔卸壓增透措施能夠有效解決桑樹坪煤礦松軟低透的地應(yīng)力主導(dǎo)型突出煤層的區(qū)域消突。通過(guò)水力擴(kuò)孔措施，單個(gè)鉆孔能夠有效地排渣1.67～2.67 t，擴(kuò)孔排出煤屑率1.24%～2.41%，鉆孔周圍煤體得到卸壓充分、煤層透氣性顯著增加，瓦斯涌出量大幅度增加。

(2)高壓水射流擴(kuò)孔增透措施能有效地提高桑樹坪煤礦松軟低透煤層瓦斯預(yù)抽效果。3#煤層擴(kuò)孔后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)減小3～7倍，擴(kuò)孔后鉆孔瓦斯涌出量提高2倍。高壓水射流擴(kuò)孔卸壓增透技術(shù)的應(yīng)用為桑樹坪煤礦松軟嚴(yán)重突出厚煤層煤巷條帶預(yù)抽防突提供了一條可行、可靠的技術(shù)思路。