郭育東

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

在高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的煤巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中，對掘進(jìn)前方的煤層瓦斯進(jìn)行超前預(yù)抽卸壓是保證煤巷安全掘進(jìn)的必要條件。在執(zhí)行超前瓦斯預(yù)抽過程中，瓦斯抽采效果差、預(yù)抽時間長是影響煤巷掘進(jìn)工作面安全、高效生產(chǎn)的主要影響因素，究其原因，除煤層自身瓦斯含量較高外，還與抽采技術(shù)、煤層透氣性等因素相關(guān)[1-3]。因此，為解決高瓦斯煤層煤巷掘進(jìn)工作面的高效超前瓦斯預(yù)抽難題，必須優(yōu)化抽采技術(shù)，增加煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率。以侯村煤礦3605 工作面回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)工作面的超前瓦斯預(yù)抽為工程背景，研究煤層增透技術(shù)以提高瓦斯抽采效率，解決該煤巷工作面掘進(jìn)前方瓦斯預(yù)抽難度大、抽采效率低下問題。

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司侯村煤礦年產(chǎn)量120萬t，屬高瓦斯礦井。該礦3607 工作面回風(fēng)順槽設(shè)計工程量1420 m，掘進(jìn)的3 號煤層厚度2.7～8.2 m，均厚5.5 m，煤層傾角5°～8°，煤層硬度系數(shù)0.35，煤層透氣性系數(shù)為0.46 m2/MPa2·d，屬低透氣性煤層。煤層頂板為較為致密的粉砂巖及中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層。3607 工作面回風(fēng)順槽設(shè)計沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，斷面形狀為直墻矩形，斷面規(guī)格為寬×高=5.5 m×3.8 m。

3607 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)區(qū)域煤層原始瓦斯壓力為1.67 MPa，瓦斯含量平均8.96 m3/t，在掘進(jìn)前必須進(jìn)行超前瓦斯預(yù)抽。該巷在掘進(jìn)過程中，采取的瓦斯防治措施為超前順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。在預(yù)抽過程中，采取常規(guī)抽采方法存在抽采效率低、工期長及掘進(jìn)期間仍存在風(fēng)排瓦斯量較高等問題，主要原因為煤層透氣性較低。為提高瓦斯抽采效率，保障煤巷掘進(jìn)工作面的安全、高效掘進(jìn)，需對順層鉆孔增透助抽開展技術(shù)研究。

2 煤層水力沖孔增透技術(shù)分析

2.1 水力沖孔增透原理

采用水力沖孔進(jìn)行煤層增透卸壓的主要原理是利用高壓水對鉆孔孔壁進(jìn)行射流沖刷，使沖刷掉的煤體形成水煤隨鉆孔流出，從而使孔壁產(chǎn)生數(shù)倍于鉆孔孔徑的圓柱形空洞。形成較大空洞后，空洞周圍煤體在圍巖應(yīng)力及瓦斯應(yīng)力的共同作用下向空洞空間產(chǎn)生位移變形，即沖孔后的卸壓過程。在卸壓過程中逐步向深部產(chǎn)生裂隙，從而實現(xiàn)煤層增透。煤層增透后促進(jìn)了煤層中瓦斯的解吸與排放[2]，瓦斯抽采難度得到有效降低。故通過水力沖孔后的抽采鉆孔，在抽采期間其瓦斯抽采效率將大大高于常規(guī)鉆孔。

2.2 不同類型鉆孔水力沖孔對比分析

對煤層進(jìn)行瓦斯抽采的鉆孔主要分為穿層鉆孔和順層鉆孔。目前，通過水力沖孔進(jìn)行煤層增透卸壓主要在煤層底板巖巷施工的穿層鉆孔中應(yīng)用較多，主要原因為底板巖巷穿層鉆孔成型及穩(wěn)定性較好，水力沖孔過程中不易出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象，且沖孔期間產(chǎn)生的水煤自上向下容易流出，通過控制沖孔水壓及時長即可控制沖孔卸煤量，從而實現(xiàn)沖孔卸壓及煤層增透的目的，但存在底板巖巷工程量大、需布置的鉆孔較多等問題。在煤層中鉆進(jìn)的普通順層瓦斯抽采鉆孔，其直徑通常在73～140 mm 之間，加之煤層硬度相對較低，在鉆進(jìn)過程中對孔壁周圍擾動較小，無法通過鉆進(jìn)擾動實現(xiàn)煤層致裂增透的作用，故在低滲透性的煤層中采取的普通順層鉆孔瓦斯預(yù)抽過程中，存在預(yù)抽時間長、抽采效果差等問題。煤層中的順層鉆孔若采用水力沖孔，則會因煤層內(nèi)鉆孔易塌孔導(dǎo)致沖孔過程中易堵孔，另存在因順層鉆孔傾角較小導(dǎo)致水煤流出較為困難問題，需通過研究鉆孔布置、沖孔工藝及卸煤量控制等技術(shù)以解決沖孔期間的塌孔、堵孔問題，但采用順層鉆孔進(jìn)行水力沖孔，具有鉆孔工程量小、鉆孔利用率高等優(yōu)點(diǎn)。在掘進(jìn)過程中可根據(jù)前方煤層瓦斯賦存狀況進(jìn)行靈活運(yùn)用，對煤巷高效掘進(jìn)及降低工程成本具有較大優(yōu)勢。

2.3 順層鉆孔水力沖孔的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）沖孔工序的確定。水力沖孔期間，單孔內(nèi)沖孔順序必須是由里向外，可減少堵孔因素，完成全部沖孔后需再鉆進(jìn)至孔底透孔，確保成孔后埋管抽采的順利進(jìn)行。

（2）沖孔水壓的控制。沖孔水壓過大，短時間內(nèi)將產(chǎn)生大量水煤，在流出困難時易發(fā)生堵孔；沖孔水壓過小，則沖孔效率相應(yīng)偏低，且造穴空間較小，達(dá)不到預(yù)期效果。故沖孔水壓的控制，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實踐能夠控制水煤大量順利流出的情況下進(jìn)行確定。

（3）沖孔造穴控制。主要需控制沖孔造穴的空間大小及造穴間距，造穴空間過小，易受應(yīng)力影響重新壓實，導(dǎo)致致裂增透效果欠佳；造穴空間過大，易造成空洞穩(wěn)定性較差，發(fā)生大范圍塌孔及堵孔現(xiàn)象。根據(jù)目前眾多實踐及理論分析成果可知，造穴空間長度宜控制在1 m 左右，造穴半徑宜控制在0.5 m 以內(nèi)[4-5]，造穴間距與周圍鉆孔的密度相關(guān)，但不宜小于4 m，確保鉆孔造穴后的穩(wěn)定性。順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖如圖1。

圖1 順層鉆孔水力沖孔造穴間距控制示意圖（m）

3 水力沖孔工藝與方案

3.1 水力沖孔系統(tǒng)

水力沖孔系統(tǒng)包含用于儲水、過濾的水箱，用于水力增壓的高壓泵及壓力表，以及組成鉆進(jìn)設(shè)備的鉆機(jī)、鉆桿和連接鉆桿的水力沖孔接頭等，其組成如圖2。

圖2 水力沖孔系統(tǒng)組成示意圖

3.2 水力沖孔工藝流程

（1）將水箱、高壓泵與鉆機(jī)連接后，在鉆頭往后的第2～3 根鉆桿位置連接水力沖孔接頭，然后在設(shè)計施鉆位置開始鉆進(jìn)，利用螺旋鉆桿排出鉆進(jìn)煤粉，直至鉆進(jìn)至設(shè)計孔深位置停鉆。

（2）確認(rèn)水箱、高壓泵及管路連接密閉良好后，開啟高壓泵，待壓力升至設(shè)計壓力后，緩慢開啟控制閥，向鉆桿內(nèi)注入高壓水，直至觀察孔內(nèi)有水流出。

（3）鉆孔內(nèi)有水流出后，開啟鉆機(jī)，同時將高壓控制閥完全打開，鉆機(jī)帶動鉆桿繼續(xù)向前緩慢鉆進(jìn)進(jìn)行水力沖孔，長度達(dá)到一個造穴長度后停鉆并停止沖水。

（4）水力沖孔完成一個造穴長度后，將鉆桿退出一個造穴間距加上一個造穴長度后，重新開啟高壓泵沖水并開啟鉆機(jī)向前鉆進(jìn)進(jìn)行水力沖孔造穴。如此往復(fù)進(jìn)行后退式?jīng)_孔，直至完成一個鉆孔的全部沖孔設(shè)計。

（5）完成一個鉆孔的全部沖孔后，在停水狀態(tài)下，再向鉆孔內(nèi)鉆進(jìn)至設(shè)計孔深，并開啟壓風(fēng)排粉，達(dá)到透孔的目的。

（6）透孔完成后，將鉆桿全部退出，采用兩堵一注法對該孔進(jìn)行埋管抽采。

3.3 鉆孔布置及沖孔造穴方案設(shè)計

設(shè)計超前瓦斯抽采鉆孔循環(huán)深度為100 m，鉆孔呈扇形布置，前方控制100 m，巷道兩側(cè)控制不小于30 m，斷面內(nèi)共布置9 個鉆孔，沖孔水壓控制最高16 MPa。根據(jù)鉆孔布置，設(shè)計單孔造穴間距時，因鉆孔由淺至深呈現(xiàn)鉆孔間距由小到大的變化，將鉆孔按照深淺劃分為4 個區(qū)域。其中，鉆孔80～100 m 范圍劃分為Ⅰ區(qū)，造穴間距設(shè)計為5 m；鉆孔60～80 m范圍劃分為Ⅱ區(qū)，造穴間距設(shè)計為6 m；鉆孔40～60 m范圍劃分為Ⅲ區(qū)，造穴間距設(shè)計為8 m；鉆孔20～40 m 范圍劃分為Ⅳ區(qū)，造穴間距設(shè)計為14 m。造穴長度均設(shè)計為1 m。根據(jù)鉆孔布置及造穴密度，各區(qū)域造穴數(shù)量、出煤量及出煤率要求見表1，鉆孔設(shè)計及造穴布置如圖3。

表1 各區(qū)域水力沖孔出煤率要求表

圖3 鉆孔設(shè)計及造穴布置方案示意圖（m）

4 效果分析

3607 工作面回風(fēng)順槽在超前預(yù)抽鉆孔施工第8循環(huán)中采取了水力沖孔增透措施，為驗證水力沖孔增透效果，充分收集了第8 循環(huán)的瓦斯抽采純量、抽采濃度及抽采時間，并與僅采取普通順層鉆孔抽采的第3 循環(huán)進(jìn)行對比，兩個循環(huán)所收集的瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 水力沖孔增透后瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖

由圖4 分析兩個循環(huán)在10 d 內(nèi)抽采的瓦斯數(shù)據(jù)可知，3607 工作面回風(fēng)順槽在第三循環(huán)平均瓦斯抽采濃度為18%，平均瓦斯抽采純量為0.38 m3/min；采取了水力沖孔增透措施的第8 循環(huán)在10 d 內(nèi)平均瓦斯抽采濃度高達(dá)34%，是第3 循環(huán)的1.9 倍，平均瓦斯抽采純量高達(dá)2.3 m3/min，是第3 循環(huán)的6 倍。根據(jù)兩個循環(huán)對比可知，采取水力沖孔后的鉆孔瓦斯抽采效率得到大幅提升。

另根據(jù)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間進(jìn)行對比，第3 循環(huán)鉆孔全部成孔時間為3 d，預(yù)抽至抽采達(dá)標(biāo)時間為19 d，共計循環(huán)瓦斯治理時間為22 d；第8 循環(huán)鉆孔成孔及水力沖孔時間為7 d，預(yù)抽至抽采達(dá)標(biāo)時間為12 d，共計循環(huán)瓦斯治理時間為19 d，相對第3 循環(huán)減少3 d。且第8 循環(huán)瓦斯抽采后，殘余瓦斯含量及鉆屑解析指標(biāo)的測試結(jié)果均明顯低于第3 循環(huán)，巷道內(nèi)風(fēng)排瓦斯量也有明顯降低，有效保障該巷的安全掘進(jìn)。

5 結(jié)語

對在低透氣性煤層施工的順層瓦斯抽采鉆孔采取水力沖孔造穴增透后，瓦斯抽采濃度及抽采純量能夠得到大幅提升，可有效提高瓦斯抽采效率，解決低透氣性煤層順層鉆孔瓦斯抽采效率低、預(yù)抽時間長及殘余瓦斯含量高等問題，為工作面安全高效掘進(jìn)打下基礎(chǔ)。