李江龍

(山西潞安集團 余吾煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046100)

礦井采掘接替緊張是煤礦開采面臨的普遍性問題，對于有些礦井而言，這一問題甚至是影響安全高效生產的瓶頸問題[1-3]。造成采掘接替緊張的原因較多，既有掘進工藝方面的原因，如炮掘、機掘及其相應的支護工藝等[4-6]，也有掘進工作面前方煤體的瓦斯和應力集中問題[7-8]。隨著掘進工作面的不斷推進，掘進頭(也稱“迎頭”)前方由于受掘進活動影響，地應力重新分布，在局部區(qū)域出現應力集中現象[9-10]。這種應力集中現象會使煤體的透氣性相應地降低，導致瓦斯抽放或排放效果較差。因此，如何安全快速的卸除掘進頭前方應力集中，促進煤體瓦斯快速釋放，是提高掘進速度、緩解采掘接替緊張的關鍵所在。

對于如何有效解決掘進工作面瓦斯和應力集中問題，實現快速掘進，很多礦井進行了大量的探索。其根本性的措施是調整局部措施，如瓦斯抽采，但是也存在一定問題，比如預抽時間通常較長，占用大量掘進時間，而且效果并不一定理想，難以提高掘進速度[5]。盡管很多工程技術人員和科研人員，嘗試建立優(yōu)化模型，協調瓦斯抽采與掘進速率，但收效甚微，特別對于瓦斯含量較高的礦井，效果有限。此外，很多礦井還嘗試從掘進工藝方面進行優(yōu)化，以期從時間和空間角度，盡量提高災害治理效果，并提高掘進工藝，來改善采掘解決緊張局面。

以上嘗試雖然減緩了采掘接替緊張的局面，但是仍舊沒有從根本上解決問題。為此，又提出了各類快速卸壓增透技術。例如，利用底板巷進行水力割縫或沖孔，提高煤層透氣性，預抽卸壓瓦斯，但是由于煤層和瓦斯賦存的不均性，后進掘進過程仍然可能殘存大量瓦斯。因此，很多研究人員提出了在本煤層補充預裂爆破或水力割縫進行增透，近年來，又提出了CO2氣相壓裂技術(原理為相變爆破致裂，并非實際意義上的CO2驅替壓裂)。

目前，潞安礦區(qū)也在掘進工作面采用CO2氣相壓裂技術(如余吾礦)，但仍達不到預期的效果。因此本文以余吾礦為背景，嘗試采用水力造穴技術改善掘進工作面地應力集中和瓦斯問題，并與CO2壓裂技術的效果進行對比，為進一步的技術決策提供依據。

1 試驗地點概況

余吾礦當前主采3#煤層，其原煤瓦斯含量為3.06 m3/t～23.69 m3/t，瓦斯壓力是0.42 MPa～0.67 MPa，堅固性系數為0.44～0.53，百米鉆孔瓦斯涌出量為0.015 m2/(min·hm)～0.037 m2/(min·hm)，其鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.081 1 d-1～0.252 5 d-1，透氣性系數為0.524 0 m2/(MPa2·d)～1.741 5 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數分別屬可抽放和難抽煤層。

余吾煤業(yè)自2017年8月開始進行水力增透試驗，2017年8月—10月采用重慶煤科院的超高壓水力割縫設備在N1103膠順進行了35個孔的水力割縫試驗，之后采用該設備利用45 MPa壓力在N1103膠順、N1105膠順進行了34個鉆孔的水力造穴試驗。

2018年4月引進了河南鐵福來公司制造的水力造穴鉆進一體化設備，4月上旬在順層鉆孔進行了試驗，為試驗水力造穴技術對巷道掘進煤體瓦斯治理效果，5月1日利用檢修停產期間在N1105回順迎頭進行了第一次水力造穴試驗，5月9日因巷道停頭在迎頭進行了第2次水力造穴，同時施工了2個預抽鉆孔。

2 水力造穴技術原理及工藝裝備

2.1 技術原理

水力造穴主要利用高壓水力射流對鉆孔周圍煤層進行切割，進而形成空穴，在煤層內部形成一個較大的空間，煤體在應力的作用下發(fā)生運移，形成裂隙，為瓦斯釋放和流動創(chuàng)造良好條件；同時，隨著應力的釋放，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，具體鉆孔水力造穴工藝示意見圖1。

由圖1可知，水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應力和裂隙狀況，緩解煤體和圍巖中的應力緊張問題，既削弱了動力影響，又提高煤層透氣性和瓦斯釋放能力。松軟煤體的塑性蠕變軟化特性較強，當煤體所受軸向應力接近峰值強度時，煤體中逐漸出現塑性應變，并進入塑性軟化階段，抗壓強度隨應變增大逐漸衰減至殘余強度。沖孔造穴洞室周圍煤體可劃分為黏彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)和破壞區(qū)。

1-履帶鉆機；2-高壓螺旋鉆桿；3-水刀；4-鉆頭；5-高壓旋轉水尾；6-高壓軟管；7-履帶高壓水泵站；8-履帶煤水分離器圖1 鉆孔水力造穴工藝示意圖Fig.1 Hydraulic caving technology with boreholes

2.2 主要技術設備

目前，礦上使用的造穴裝備由河南鐵福來公司制造。該套試驗設備主要包括：ZDY4500LXY-A煤礦用履帶式造穴專用液壓鉆機、BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11礦用振動篩式固液分離機、D73 mm高壓密封螺旋鉆桿、D113 mm金剛石復合片鉆頭、高低壓水射流轉換裝置、打鉆三防裝置。

2.3 工藝流程

由于之前采用 “前進式”水力造穴施工期間出現多次掉鉆現象。因此，采用“后退式”水力造穴施工，具體“后退式”水力造穴施工步驟如下：

1)桿放入鉆機，前端連接上打鉆鉆頭，確保打鉆鉆頭與鉆桿之間連接到位(螺紋全部上緊，每一根鉆桿在連接前，用清水沖洗內部，確保無顆粒雜質，以防堵塞噴嘴)。2)桿的后方連接好分水器(水尾)(螺紋全部上緊)。3)鉆進打鉆。4)完成鉆進任務以后，開始準備退鉆，鉆桿全部退鉆完畢后，開始將高壓造穴鉆桿放入鉆機，前端連接高壓水刀，送至孔底深度，連接高壓旋轉水尾，連接高壓管路。5)分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥，啟動清水泵，將清水泵的壓力調到30 MPa，穩(wěn)定1 min，觀察管路連接是否良好，不得有滲漏現象。6)清水泵，打開分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥；重新啟動乳化液泵，調節(jié)清水泵壓力調節(jié)閥，將壓力穩(wěn)定在3 MPa～7 MPa。7)鉆機，轉動鉆桿(不進行退鉆)直到鉆孔口有水流出(大約需要幾分鐘的時間，根據鉆孔深度、煤層性質不同而有區(qū)別)。8)清水泵壓力調節(jié)閥，進行退鉆造穴。每次造穴以達到要求煤量為準，每根鉆桿首次造穴時壓力應不大于10 MPa，保證煤巖渣順利地從鉆孔流出來以后，逐步調節(jié)清水泵壓力，直至壓力控制在15 MPa～20 MPa。9)卸鉆桿時，先將清水泵壓力調節(jié)閥降到0 MPa后，關閉分水器(水辮)與高壓膠管連接處球閥。10)卸下一根鉆桿。11)重新將分水器(水尾)與鉆桿連好，打開分水器(水尾)與高壓膠管連接處球閥。12)重復上面(7至11)步驟，直至全部造穴完畢，關閉高壓泵，退出剩余鉆桿，完成一個鉆孔的作業(yè)。

3 現場試驗方案及效果

N1105回順迎頭共實施造穴三個循環(huán)，分別采用了三種方案：第一種方案是在迎頭僅施工一個鉆孔，且為造穴孔，主要是試驗水力造穴工藝；第二種是在迎頭施工3個鉆孔，其中1個造穴孔，同時在該孔兩側各布置一個效果測試孔(三孔單穴)；第三種方案是在迎頭施工2個造穴孔，并布置6個效果觀測孔(八孔兩穴)。具體施工設計參數見圖2。

圖2 N1105回順迎頭水力造穴鉆孔布置圖Fig.2 Hydraulic caving boreholes layout in N1105 return airway heading face

3.1 方案一(單孔單穴)

為考察并熟悉水力造穴設備的造穴工藝流程，以及余吾礦煤體在造穴技術下的鉆孔排渣能力，首先在原先壓裂孔位置施工一個造穴鉆孔，進行工藝流程實驗。造穴孔設計深度120 m，每個循環(huán)壓茬20 m，允許掘進距離100 m，開孔高度1.5 m，鉆孔傾角為+1°。但實際施工時施工深度為80 m，共造穴7個，穴洞凈間距8.0 m，造穴壓力20 MPa，造穴時間30 min/穴，出煤量1.2 t/穴。通過實驗，基本掌握了水力造穴裝備的工作方式和造穴的工藝流程，也初步摸清了余吾礦煤質對造穴技術的適應性。

3.2 方案二(三孔單穴)

在對設備和工藝摸索的基礎上，改進了試驗方案，各個鉆孔的開孔位置見圖3，施工參數如表1所示。迎頭造穴孔的穴孔深度為80 m，開孔高度1.5 m，鉆孔傾角為+1°。因停頭時間較長，造穴孔施工完成后，在造穴孔兩側各施工了一個100 m深預抽鉆孔?，F場施工時，首先施工1個造穴鉆孔，施工完成后依順序施工1#～2#普通鉆孔，施工完成后將造穴孔與普通鉆孔全部聯網帶抽。

圖3 N1105回順迎頭水力造穴鉆孔布置圖Fig.3 Hydraulic caving boreholes layout in N1105return airway heading face

表1 迎頭造穴及預抽鉆孔設計參數Table 1 Design parameters of caving and pre-extraction boreholes

3.3 方案三(八孔二穴)

在迎頭布置2個造穴孔和6個普通預抽孔，孔深120 m，鉆孔工程量960 m左右。各鉆孔開孔位置見圖4，具體施工參數如表2所示，迎頭造穴的始造穴深度為20 m，按照礦掘進進尺7.2 m/d及工程量大小，洞穴間距為8 m?，F場施工時，首先施工2個造穴孔，施工完成后依照順序施工1#～6#普通鉆孔，施工完成后將造穴孔與普通孔全部聯網帶抽。

圖4 鉆孔布置圖Fig.4 Layout of boreholes

表2 各鉆孔施工設計參數Table 2 Construction design parameters of boreholes

3.4 現場實施效果

以上三種方案中，第一種方案主要用于試驗水力造穴工藝，第二、三種方案現場施工時，跟蹤測試了殘余瓦斯含量、鉆屑指標(K1和S值)和回風瓦斯參數等。

殘余瓦斯含量見圖5。第二次造穴時，跟蹤測試的瓦斯含量較少，共有3個數據，平均值為7.5 m3/t；停掘一段時間后，進行了CO2爆破致裂增透工藝，測試殘余瓦斯含量1個(7.5 m3/t)，與方案二造穴工藝相差不大；方案三實施后，平均殘余瓦斯含量降低到6.8 m3/t，但是后期掘進將近60 m，殘余瓦斯含量存在上升趨勢，為此，煤礦補充了CO2爆破致裂措施，但殘余瓦斯含量平均值仍為7.4 m3/t左右，效果不顯著，沒有抑制瓦斯含量上升的趨勢。

(注：圖中造穴依次為第二、三次造穴，后同)圖5 殘余瓦斯含量對比Fig.5 Comparison of residual gas content

回風瓦斯平均濃度見圖6。其中，在第二次造穴之前的停掘階段，回風瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.34%，造穴掘進后瓦斯?jié)舛葹?.47%；隨后停掘，瓦斯?jié)舛冉档椭?.41%，比造穴前的瓦斯?jié)舛壬愿撸醪酵茰y是煤體受造穴擾動后，促進瓦斯解吸、涌出量增加；補充壓裂措施后掘進，平均瓦斯?jié)舛葹?.45%，和第二次造穴措施效果相當；第三次造穴后，回風平均瓦斯?jié)舛却蠓档?，?.31%，由于上述的殘余瓦斯含量增大，相應的瓦斯?jié)舛仍诤笃谝渤试龃筅厔?，采取補充壓裂措施后，平均瓦斯?jié)舛葹?.42%，比造穴效果差。

圖6 回風瓦斯平均濃度對比Fig.6 Comparison of average gas content of return airway

造穴施工過程中同時跟蹤考察了K1和S值，但是S值無論何種情況都沒有明顯變化，推測可能為非敏感指標。K1值較好的反映了效果變化。兩次造穴的平均K1值分別為0.42和0.39，明顯由于壓裂效果(CO2壓裂后的K1平均值為0.45)。

圖7 鉆屑指標K1值對比Fig.7 Comparison of drilling cutting indexK1

由圖7可知：水力造穴效果較好，使回風瓦斯?jié)舛冉档?，鉆屑指標也呈現下降趨勢。但是發(fā)現隨著進尺加大，各指標值呈上升趨勢(大約為60 m)。日進尺數據見圖8，造穴區(qū)段的進尺要高于壓裂段。

4 結論

在余吾礦N1105回順迎頭進行了三次水力造穴試驗，分別試驗了造穴工藝，對比了不同布孔方案的實施效果，并與CO2致裂效果進行了對比分析。主要結論如下：

圖8 N1105回順迎頭日進尺對比Fig.8 Comparison of drilling footage per day of N1105 return airway

1)對于高瓦斯厚煤層迎頭，布置6個普通抽放鉆孔和2個造穴鉆孔，可以解決瓦斯超限問題，效果較好。

2)水力造穴以后，殘余瓦斯含量平均6.8 m3/t，由于CO2致裂效果，后期回風瓦斯?jié)舛冉档惋@著，在本次試驗地點的巷道回風瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.31%，杜絕了瓦斯超限問題。

3)通過對鉆屑指標K1的跟蹤測試，發(fā)現兩次造穴的平均K1值分別為0.42和0.39，略優(yōu)于CO2壓裂效果(K1值為0.45)。

由于回風瓦斯?jié)舛群豌@屑指標的降低，巷道掘進速度提升明顯，兩次試驗的日進尺分別為5 m和4.7 m，達到了預期效果。