王永安

（鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）鄭新煤業(yè)有限公司，河南 新密 452370）

0 引言

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度的遞增，煤層瓦斯含量和地應(yīng)力也隨之增大，突出危險(xiǎn)程度愈加嚴(yán)重，造成治理難度越來(lái)越大，治理技術(shù)更加復(fù)雜，治理成本不斷增加，嚴(yán)重影響和制約煤礦的安全生產(chǎn)。目前，主要通過(guò)預(yù)抽煤層瓦斯來(lái)達(dá)到區(qū)域消突的目的，但煤層的透氣性是制約預(yù)抽采的瓶頸［1-2］。為提高煤層透氣性，開(kāi)采保護(hù)層、水力壓裂、CO2爆破、深孔爆破等卸壓增透技術(shù)被采用，但是這些技術(shù)措施在實(shí)用性、技術(shù)性等方面還存在著一定的不足［3-5］。

水力沖孔卸壓增透方面，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。楊運(yùn)峰等［6］采用巖石底板巷水力沖孔，大幅提高了煤層的透氣性。王新新等［7-8］研究了潘三礦13-1 煤層的水力沖孔消突效果，認(rèn)為卸壓區(qū)域煤層瓦斯含量降低了近70%。劉明舉等［9］針對(duì)新安礦三軟煤層的賦存特點(diǎn)，研究并確定了適合三軟煤層賦存特點(diǎn)的水力沖孔方案，并取得很好的消突效果。王兆豐等［10］認(rèn)為水力沖孔卸壓增透消突措施在松軟低透煤層中效果顯著。王凱等［11］研究了水力沖孔鉆孔附近的煤層透氣性的變化規(guī)律，認(rèn)為煤層透氣性系數(shù)與距孔洞的距離呈負(fù)相關(guān)。許彥鵬等［12］模擬分析了水力沖孔的有效影響范圍，進(jìn)而確定了相關(guān)沖孔參數(shù)。馮丹等［13］研制開(kāi)發(fā)了水力沖孔物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并分析了沖孔后的孔洞形態(tài)、等效半徑等。

水力沖孔是可以被直接應(yīng)用的一種卸壓增透措施，具有施工工藝簡(jiǎn)單、消突效果好、成本低、施工周期短等特點(diǎn)。通過(guò)鉆孔持續(xù)的鉆進(jìn)，煤、水及瓦斯混合體能夠不斷向孔外噴出，鉆孔影響范圍內(nèi)的地應(yīng)力得以降低，孔隙裂隙增加，提高了煤層透氣性系數(shù)，鉆孔周?chē)咚鼓軌虮挥行Ы馕歪尫?，降低了鉆孔影響范圍內(nèi)的瓦斯梯度，同時(shí)提高了煤體的強(qiáng)度和濕度，改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，突出的危險(xiǎn)性得以降低和消除［14-15］。

馬池煤礦11051 綜采工作面位于嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，該區(qū)域煤層發(fā)育不均勻，不具備保護(hù)層開(kāi)采條件。具有低透氣性和易流變性特征，屬于低滲高突出塊段，煤體中的瓦斯得不到很好的釋放，導(dǎo)致抽采半徑小，鉆孔工程量大，成本高，工期長(zhǎng)。為此，開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件低滲高突地區(qū)利用水力沖孔技術(shù)提高瓦斯預(yù)抽效果的研究很有必要，為礦井的防突工作提供技術(shù)保障，扭轉(zhuǎn)煤礦安全的被動(dòng)局面。

1 試驗(yàn)工作面概況

馬池煤礦位于白坪井田的西南部，行政隸屬登封市白坪鄉(xiāng)，主要開(kāi)采二1煤層，開(kāi)拓方式為立斜井聯(lián)合、單水平下山開(kāi)拓方式。礦井布置有一主提升井、一副斜井和一回風(fēng)井。11 采區(qū)的11051 綜采工作面位于井田西翼，專(zhuān)回下山以西，工作面走向長(zhǎng)度663 m，煤層厚度為1.8～2.5 m，平均厚度為2.0 m，采用綜采支架放頂煤采煤工藝。煤層上部及下部各含夾矸一層，頂夾矸厚0.05～2.10 m，距煤層頂板0.45 m，底夾矸厚0.09 m，距底板0.91 m。礦井等級(jí)鑒定為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量6.25 m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量9.01 m3/t。

2 水力沖孔影響半徑考察

2.1 壓降法現(xiàn)場(chǎng)考察

采用壓降法，對(duì)影響半徑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)考察。通過(guò)監(jiān)測(cè)某個(gè)測(cè)試孔，瓦斯壓力比預(yù)抽前連續(xù)3 次降低10%及以上時(shí)，表明該鉆孔位置在水力沖孔的有效影響范圍之內(nèi)。符合該條件的測(cè)試孔與水力沖孔之間的最遠(yuǎn)距離，就認(rèn)為是水力沖孔的有效影響半徑。

在掘進(jìn)巷道的新鮮暴露煤壁處，依次施工2#、3#、4#、5#、6#、7#測(cè)試孔和1#水力沖孔，測(cè)試孔與1#沖力孔間距分別為5 m、6 m、7 m、7.5 m、8 m、9 m，終孔一個(gè)，封閉一個(gè)，所有鉆孔在每一個(gè)鉆孔封孔結(jié)束后，立即安裝壓力表測(cè)定瓦斯壓力。測(cè)試孔施工完畢后，待測(cè)孔壓力上升至穩(wěn)定值后，將預(yù)抽鉆孔并入管網(wǎng)抽采。然后開(kāi)始對(duì)1#孔施工水力沖孔，沖孔須沖至孔底，沖孔一段時(shí)間后，措施孔內(nèi)不再有煤渣或返清水后停止沖孔。1#孔沖孔情況記錄詳見(jiàn)表1。布孔方式如圖1所示。

表1 1#考察孔水力沖孔記錄表

圖1 測(cè)試孔布置示意圖（單位：m）

由圖2 可知，在聯(lián)網(wǎng)抽采后，觀測(cè)孔整體壓力出現(xiàn)下降趨勢(shì)。2#觀測(cè)孔壓力衰減明顯，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓情況，2#測(cè)壓孔處完全處于卸壓范圍內(nèi)。3#、4#鉆孔壓力值連續(xù)下降幅度均大于10%，說(shuō)明3#、4#觀測(cè)孔均處在有效抽采半徑之內(nèi)。5#壓力觀測(cè)孔抽采7 d后呈現(xiàn)平緩下降的趨勢(shì)，抽采11 d 后呈現(xiàn)快速下降幅度，鉆孔壓力值連續(xù)下降幅度亦均大于10%，亦認(rèn)為在影響半徑之內(nèi)。6#壓力觀測(cè)孔在抽采15 d 后出現(xiàn)壓力值下降現(xiàn)象，但鉆孔壓力值也呈現(xiàn)連續(xù)三次下降幅度大于10%的現(xiàn)象，表明6#壓力觀測(cè)孔處于有效抽采半徑邊緣范圍內(nèi)。7#觀測(cè)孔初始瓦斯壓力為0.47 MPa，聯(lián)網(wǎng)抽采后瓦斯壓力幾乎無(wú)變化，可知7#孔處于有效半徑范圍之外；6#觀測(cè)孔雖然處在有效抽采半徑之內(nèi)，但沖孔效果對(duì)其影響的程度已很小，可見(jiàn)6#測(cè)試孔仍處在有效抽采半徑邊緣范圍內(nèi)。因此，結(jié)合數(shù)值模擬，可以確認(rèn)水力沖孔平均沖出煤量為1.20 t/m、抽采時(shí)間為15 d 時(shí)，可將其抽采瓦斯的有效抽采半徑確定為8 m。

2.2 水力沖孔布孔方案

在11051 工作面底板巷鉆場(chǎng)布置水力沖孔鉆孔，其中2#鉆場(chǎng)共設(shè)計(jì)水力沖孔鉆孔11 個(gè)，在軌道順槽兩幫布置了5 個(gè)水力沖孔，剩下的6 個(gè)水力沖孔鉆孔，主要是為了消除軌道順槽輪廓線外15 m的范圍。鉆孔布置見(jiàn)圖3所示。

圖3 水力沖孔2#鉆場(chǎng)鉆孔布置平面圖

3 水力沖孔增透卸壓效果考察

3.1 水力沖孔增透效果

在2#鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)布置了11 個(gè)水力沖孔鉆孔，沖出煤量159.5 t，最小孔7.5 t，最大孔27 t，平均每個(gè)孔14.5 t，有效卸除了172107 軌道順槽兩幫各15 m范圍內(nèi)煤體的應(yīng)力，使集中應(yīng)力區(qū)向煤體深處推延，單孔沖出煤量如圖4所示。

圖4 單孔沖出煤量統(tǒng)計(jì)圖

圖5、圖6 給出了沖孔前后抽采濃度、抽采純量，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，沖孔前平均抽采濃度為5.4%，沖孔后為54.6%，提高了10.1倍；沖孔前抽采濃度最小為1.6%，最大為8.4%，沖孔后抽采濃度最小為33%，最大為72%；沖孔前平均抽采純量為0.019 m3/min，沖孔后為0.094 m3/min，提高了4.9倍。

圖5 沖孔前后抽采濃度變化圖

圖6 沖孔前后抽采純量變化圖

3.2 水力沖孔消突效果

利用水力沖孔，部分煤、瓦斯被水沖出釋放，降低了鉆孔周?chē)拿后w應(yīng)力，煤體得到不同程度的卸壓，使煤體的透氣性系數(shù)得到了極大的提高，提升了煤層瓦斯的自然釋放和負(fù)壓抽采效果。同時(shí)，由于水射流濕潤(rùn)煤體，改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)，減弱和消除了煤與瓦斯突出發(fā)生的可能性。在底板巷選擇合適的位置，測(cè)定瓦斯含量和瓦斯壓力，來(lái)驗(yàn)證沖孔效果。實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯壓力為0.24 MPa，煤層殘余瓦斯含量為5.84 m3/t，達(dá)到了消突效果。

4 結(jié)論

①利用壓降法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)考察，確定了水力沖孔的有效影響半徑，水力沖孔平均沖出煤量為1.20 t/m、抽采時(shí)間為15 d 時(shí)，抽采瓦斯的有效抽采半徑為8 m。

②采用底抽巷水力沖孔措施后，瓦斯抽采濃度由沖孔前的5.4%提高為54.6%，提高了10.1 倍；平均抽采純量由沖孔前的0.019 m3/min 提高到0.094 m3/min，提高了4.9 倍。實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯壓力為0.24 MPa，煤層殘余瓦斯含量為5.84 m3/t，達(dá)到消突的效果，確保了礦井的安全生產(chǎn)。