馮 緯

（山西潞安化工集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046000）

近年來(lái)，煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了我國(guó)高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)[1-3]。瓦斯抽采技術(shù)是瓦斯災(zāi)害防治的最為有效的措施，尤其在高瓦斯、松軟低透煤層瓦斯防治中的應(yīng)用更為廣泛[4-6]。鑫源煤礦3#煤為典型高瓦斯、松軟低透難抽采煤層，為增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率，決定在2301工作面進(jìn)行水力沖孔卸壓增透試驗(yàn)，以期為3#煤瓦斯治理提供參數(shù)依據(jù)。

1 工程概況

鑫源煤礦2301工作面為3#煤二采區(qū)首采工作面，煤層均厚3.5 m，平均傾角5°。煤層直接頂為3.62 m厚的粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為5.3 m厚的中粒砂巖，直接底為4.8 m厚的粉砂質(zhì)泥巖。工作面北鄰采區(qū)邊界，南為2303工作面（計(jì)劃開(kāi)采），東為村莊保護(hù)煤柱，西為區(qū)段大巷，工作面布置情況見(jiàn)圖1所示。工作面煤層瓦斯含量為12.65 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為52.48 m3/min，透氣性系數(shù)為2.83×10-3m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯流量為0.02 m3/min，衰減系數(shù)為0.217 6 d-1，屬典型高瓦斯、松軟低透難抽采煤層。

圖1 2301工作面平面布置圖

2 水力沖孔卸壓增透原理

水力沖孔卸壓增透技術(shù)是有效增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率的措施之一[2]。水力沖孔系統(tǒng)主要由水力沖孔鉆頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、鉆機(jī)、高壓管路、防噴裝置等組成，如圖2所示，原理為：利用高壓泵將高壓水壓入煤巖體，使其荷載急劇增高[4]。裂縫弱面等原生微缺陷在高壓水作用下發(fā)育、擴(kuò)展，形成相互交織的裂隙網(wǎng)絡(luò)，增加煤層透氣性，提高抽采效率的同時(shí)，增加了瓦斯流動(dòng)的通道，加速了游離瓦斯的釋放和運(yùn)移，使更多的吸附瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，提高了瓦斯涌出的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間[5]。此外，大量滯留在煤體內(nèi)的水充分潤(rùn)濕了煤體，塑性增加，彈性潛能降低，繼而降低了煤體突出危險(xiǎn)性。水力沖孔卸壓增透技術(shù)通過(guò)上述幾個(gè)方面達(dá)到給煤層卸壓增透的目的。

圖2 水力沖孔系統(tǒng)示意圖

3 水力沖孔技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆孔布置方式及參數(shù)

結(jié)合鑫源煤礦生產(chǎn)實(shí)際，為了減少工程量、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率的同時(shí)增大煤層透氣性和瓦斯抽采效率，決定在2301回風(fēng)順槽循環(huán)布置水力沖孔鉆孔和平行預(yù)抽鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)。具體布置方式為：在2301回風(fēng)順槽1060 m處施工水力沖孔鉆孔S1，每隔5 m施工1個(gè)水力沖孔鉆孔，3個(gè)水力沖孔鉆孔編為1組；在水力沖孔鉆孔S3后5 m處施工平行預(yù)抽鉆孔S4，每隔5 m施工1個(gè)平行預(yù)抽鉆孔，3個(gè)平行預(yù)抽鉆孔編為1組；隨后按3個(gè)水力沖孔鉆孔與3個(gè)平行預(yù)抽鉆孔循環(huán)布置。鉆孔布置情況如圖3所示，鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔布置參數(shù)表

圖3 鉆孔布置平面示意圖

3.2 沖孔設(shè)備及工藝

采用TMZX-25型鉆孔造穴一體化成套設(shè)備（由ZDY4500LXY煤礦用履帶式液壓鉆機(jī)、高壓密封鉆具、BQWL200/31.5L XQ200/12高壓清水泵、KFS-50/11礦用振動(dòng)篩式固液分離機(jī)和高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置等組成）按照設(shè)計(jì)的孔徑、孔深和角度等分別施工水力造穴抽采鉆孔和平行預(yù)抽鉆孔。施工水力造穴抽采鉆孔過(guò)程中進(jìn)行高壓水力沖孔造穴后，再封孔并網(wǎng)進(jìn)行瓦斯抽采；平行預(yù)抽鉆孔成孔后直接封孔并網(wǎng)進(jìn)行抽采，不進(jìn)行水力沖孔施工。

4 水力沖孔效果考察

4.1 擴(kuò)孔效果考察

煤孔段孔洞大小直接影響著煤層增透效果，實(shí)施水力沖孔增透措施后對(duì)水力沖孔擴(kuò)孔效應(yīng)進(jìn)行考察是檢驗(yàn)水力沖孔效果的主要指標(biāo)之一[6]。將孔洞直徑定義為水力沖孔的等效直徑d，其值可根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算[7]：

式中：m為該孔實(shí)施水力沖孔措施時(shí)沖出煤量，t；γ為煤的視密度，取1.52 t/m3；λ為該煤孔段長(zhǎng)度，m；d0為鉆孔直徑，取0.094 m。

將水力沖孔后的等效直徑與鉆孔直徑間的比值定義為孔徑擴(kuò)大系數(shù)k，即k=d/d0，用以表征水力沖孔孔徑擴(kuò)大效應(yīng)。實(shí)施水力沖孔后，鉆孔擴(kuò)孔效果參數(shù)如表2所示。

由表2可知，水力沖孔后鉆孔孔徑較平行預(yù)抽鉆孔擴(kuò)大約5～8倍。此外，現(xiàn)場(chǎng)打鉆施工觀測(cè)記錄表明，水力沖孔鉆孔相較于平行預(yù)抽鉆孔在施工過(guò)程中具有更為顯著的瓦斯噴空現(xiàn)象。由此可知，鉆孔在經(jīng)過(guò)水力沖孔后，煤孔段裂隙更為發(fā)育，瓦斯運(yùn)移阻力顯著減小，煤層增透效果得到明顯提高。

表2 水力沖孔鉆孔擴(kuò)孔效果表

4.2 瓦斯抽采量考察

采用水力沖孔措施擴(kuò)大瓦斯抽采鉆孔直徑以增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采量，因此對(duì)水力沖孔后瓦斯抽采效果進(jìn)行考察是檢測(cè)水力沖孔效果的另一個(gè)重要指標(biāo)[4]。為此，分別對(duì)2301回風(fēng)順槽水力沖孔鉆孔和平行預(yù)抽鉆孔兩個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。瓦斯抽采數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 抽采純量、抽采濃度表

由表3可知，水力沖孔鉆孔單孔抽采流量約0.1～0.4 m3/min，平均單孔抽采流量0.265 m3/min；平行預(yù)抽鉆孔的單孔抽采流量0.06～0.09 m3/min，平均單孔抽采流量0.075 m3/min。可見(jiàn)，水力沖孔后鉆孔平均單孔抽采流量增大約3.5倍。水力沖孔鉆孔的單孔抽采濃度約32%～68%，平均單孔抽采濃度為46.735%；而平行預(yù)抽鉆孔的單孔抽采濃度約6.50%～23%，平均單孔抽采濃度為13.975%?？梢?jiàn)，水力沖孔后鉆孔平均單孔抽采濃度提高約3.3倍。綜上可知，水力沖孔后鉆孔瓦斯抽采量顯著提高。

5 結(jié)論

（1）基于水力沖孔卸壓增透原理和鑫源煤礦2301工作面生產(chǎn)實(shí)際，提出采用TMZX-25型煤礦用鉆孔造穴一體化成套設(shè)備在2301回風(fēng)順槽實(shí)施水力沖孔卸壓增透措施，并對(duì)鉆孔布置參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）水力沖孔效果考察結(jié)果表明：水力沖孔鉆孔孔徑擴(kuò)大約5～8倍，平均單孔抽采流量增大約3.5倍，平均單孔抽采濃度提高約3.3倍。