寇 龍

（山西晉能控股集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

趙莊煤業(yè)位于沁水煤盆地的南翼東部，井田內(nèi)含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組（C3t）和下二疊統(tǒng)山西組（P1s）。兩組總厚153.18 m，含煤15 層，煤層總厚12.80 m，含煤系數(shù)8.33%。自上而下山西組含1#、2#、3#共3層煤；太原組含5#、6#、7#、8-1#、8-2#、9#、11#、12#、13#、14#、15#、16#共12 層煤。其中1#煤層是全區(qū)不可采的極不穩(wěn)定煤層，2#煤層是局部可采的不穩(wěn)定煤層，3#煤層是全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層之一，8-1#煤局部可采而不穩(wěn)定，15#煤層是全區(qū)主要可采的煤層之一，14#、16#煤層局部可采，其余煤層雖見(jiàn)有零星可采點(diǎn)，但難以構(gòu)成具有工業(yè)價(jià)值的盤區(qū)段。

趙莊煤業(yè)現(xiàn)回采3#煤層，瓦斯問(wèn)題是制約趙莊煤業(yè)發(fā)展的最大難題，也是影響趙莊礦建設(shè)安全高產(chǎn)高效礦井的瓶頸。由于煤體透氣性較差，百米鉆孔瓦斯流量0.000 5～0.003 9 m3/（min·hm），屬難抽放煤層，且鉆孔流量衰減系數(shù)為 0.14～0.39 d-1，短時(shí)間內(nèi)很難將煤體瓦斯含量降到8 m/t 以下。為此趙莊煤業(yè)開(kāi)始了水力沖孔技術(shù)研究[1-2]，經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)，目前水力沖孔技術(shù)已在趙莊煤業(yè)推廣使用，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 水力沖孔原理

水力沖孔是以巖柱或煤柱作為安全屏障，針對(duì)低透氣性煤層采取的一種卸壓增透措施。水力沖孔卸壓增透原理如下：

（1）沖孔期間增加了煤層的透氣性，致使煤體膨脹變形，擴(kuò)大了抽放瓦斯影響范圍，通過(guò)排放大量瓦斯，提高了抽放效率，有效地降低煤層瓦斯含量。

（2）沖出大量煤體，破壞原應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍煤體在地應(yīng)力作用下向四周移動(dòng)，促使應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力帶前移，有效應(yīng)力降低，在沖孔區(qū)域內(nèi)可起到卸壓、防突的效果。

（3）沖出煤體后，促使煤體裂隙發(fā)育，打破了原有解析瓦斯與吸附瓦斯的動(dòng)態(tài)平衡，促使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，提高瓦斯抽放效果。

2 水力沖孔裝備

水力沖孔主要依靠噴嘴產(chǎn)生的高壓水對(duì)煤層進(jìn)行沖刷切割，沖孔設(shè)備的性能決定著能否將煤體沖出及沖孔后的效果。沖孔需要使用的設(shè)備主要有鉆機(jī)、高壓水泵（清水泵）、防噴裝置、高壓密封鉆頭、高壓密封鉆桿、高壓密封水辮、高壓管、高壓控制閥、高壓噴頭等。

（1）清水泵

趙莊煤業(yè)現(xiàn)采用型號(hào)為BRW200/31.5 的清水泵，額定流量為200 L/min，額定功率為75 kW，額定壓力為31.5 MPa。水箱額定容量為1200 L，外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=2600 mm×1050 mm×1550 mm，重量700 kg。

（2）高壓密封鉆頭

高壓密封鉆頭主要包含兩部分：前部鉆頭+后部水刀。鉆頭采用拋物線式弧角形冠部結(jié)構(gòu)，分層錯(cuò)峰布齒，實(shí)現(xiàn)多軌道、分層等體積切削巖石，鉆進(jìn)阻力小，重復(fù)破碎少，鉆進(jìn)效率高，適用于中硬度-堅(jiān)硬巖層施工。當(dāng)壓力達(dá)到4 MPa 時(shí)前部鉆頭自動(dòng)關(guān)閉，后部水刀自動(dòng)打開(kāi)。水刀內(nèi)部拆卸方便，根據(jù)井下實(shí)際水壓更換壓力彈簧。

（3）高壓密封鉆桿及水辮

水力沖孔過(guò)程中，為保證孔底壓力滿足破煤要求，采用L=1000 mm 的高壓密封鉆桿。鉆桿及配套送水器耐壓在35 MPa 以上，鉆桿接頭密封方式主要靠O 型密封圈和螺紋實(shí)現(xiàn)密封，O 型圈置于母接頭螺紋根部結(jié)構(gòu)。高壓密封送水器主要依靠螺紋及內(nèi)部特制耐高壓V 型圈進(jìn)行雙向密封，確保水力沖孔的壓力傳遞。

3 鉆孔設(shè)計(jì)及工藝流程

（1）鉆孔設(shè)計(jì)對(duì)比

普通鉆孔設(shè)計(jì)為每組9 個(gè)鉆孔，組間距6 m，列間距3 m，每組進(jìn)尺297 m，每列相鄰兩個(gè)鉆孔的垂距按照4.5 m 設(shè)計(jì)；水力沖孔鉆孔設(shè)計(jì)為每組6 個(gè)鉆孔，組間距6 m，列間距3 m，每組進(jìn)尺203 m，每列相鄰兩個(gè)鉆孔的垂距按照6.5 m 設(shè)計(jì)。鉆孔設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 普通鉆孔與水力沖孔設(shè)計(jì)對(duì)比圖

（2）工藝流程

趙莊煤業(yè)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定了以下水力沖孔標(biāo)準(zhǔn)：沖孔壓力18～25 MPa；沖孔方式為穿矸見(jiàn)煤后開(kāi)始沖孔；出煤標(biāo)準(zhǔn)為每米出煤量不低于1.0 m3。

工藝流程對(duì)比：

普通鉆孔為：開(kāi)孔準(zhǔn)備→鉆孔施工→退鉆→封孔→接抽；

水力沖孔為：開(kāi)孔準(zhǔn)備→鉆孔施工→見(jiàn)煤后開(kāi)啟清水泵→進(jìn)鉆沖孔→退鉆→封孔→接抽。

由于水力沖孔工序繁瑣，在實(shí)際操作過(guò)程中水力沖孔效率低于普通鉆孔。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底抽巷普通鉆孔平均每7.5 min 施工1 m，水力鉆孔平均每16 min施工1 m，水力沖孔效率低于普通鉆孔施工效率。沖孔過(guò)程中孔口防噴裝置及接煤裝置安裝如圖2。

圖2 水力沖孔防噴裝置及接煤裝置安裝圖

4 水力沖孔效果及結(jié)論

趙莊煤業(yè)在1105 底抽巷1 單元施工了普通鉆孔，2 單元施工了水力沖孔。1105 底抽巷掩護(hù)順槽于2020 年7 月15 日開(kāi)始掘進(jìn)至1105 巷1、2 單元掩護(hù)區(qū)域，掘進(jìn)前及掘進(jìn)后相關(guān)抽采參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 掘進(jìn)前及掘進(jìn)后抽采參數(shù)對(duì)比表

在單元長(zhǎng)度相同時(shí)施工水力沖孔的進(jìn)尺較普鉆鉆孔減少了31.6%，水力沖孔平均單孔抽放量較普通鉆孔提升了87%，1 單元抽采時(shí)間225 d 瓦斯含量下降了6.23 m3/t，2 單元抽采時(shí)間206 d 瓦斯含量下降了8.26 m3/t。普通穿層鉆孔掩護(hù)區(qū)域平均每月瓦斯含量下降0.83 m3/t，水力沖孔每月下降1.20 m3/t，普通鉆孔合格率78.6%，水力沖孔鉆孔合格率86.4%，水力沖孔抽采效果明顯好于普通鉆孔。

5 結(jié)論

趙莊煤業(yè)在水力沖孔單元工程量較普通鉆孔減少31.6%前提下，單孔抽放量提升了87%，采用水力沖孔后抽采達(dá)標(biāo)所需時(shí)間明顯減少，所以水力沖孔有較大的推行意義。