松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術研究

程東全 孫 飛

（1.上海交通大學安泰經濟與管理學院，上海市長寧區，200052；2.河南永華能源有限公司，河南省洛陽市，471924）

松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術研究

程東全1孫 飛2

（1.上海交通大學安泰經濟與管理學院，上海市長寧區，200052；2.河南永華能源有限公司，河南省洛陽市，471924）

針對大多數開采單一松軟低透煤層時瓦斯治理面臨的困難，提出了松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔技術，闡述了該技術的原理，在偃龍煤田的二1煤層進行了現場應用，結果表明，從12041工作面上巷的實際抽放情況來看，瓦斯抽放濃度在15%～20%之間，工作面回風流的瓦斯平均濃度從0.6%降到0.3%左右，并消除了工作面在放頂煤過程中出現的瞬間瓦斯超限現象。

松軟低透煤層 底板巖巷 水力沖孔 一孔三用

近年來，一些多煤層開采礦區利用保護層開采、臨近層抽放等技術，成功地解決了低透氣煤層的瓦斯抽放問題，礦井安全面貌大有改觀。而對于大多數單一松軟低透煤層的瓦斯治理由于打鉆困難，煤層透氣性低等原因，本煤層瓦斯抽放技術一直沒有大的突破，已經成為世界性難題。實現在單一松軟低透煤層快速高效的抽放瓦斯，是礦井安全生產的迫切需要。

1 煤層底板巖巷水力沖孔工藝及機理

水力沖孔工藝是以煤層底板巖巷為屏障，在巖巷內施工穿層鉆孔，然后用高壓水進行水力沖孔，在松軟低透煤層中，人為地創造一個瓦斯釋放空間和通道，有效地提高抽放效果；當瓦斯抽放達到目標后，利用預抽鉆孔對煤層進行注水；工作面回采后，再次利用底板巖巷抽放鉆孔對采空區進行抽放，實現一孔三用。

水力沖孔機理是從鉆孔中卸除大量的煤以后，由于鉆孔周邊的煤體向鉆孔位移和松動，形成新的裂隙，從而大大增加煤層的透氣性，同時瓦斯壓力梯度降低，瓦斯大量解析，瓦斯抽放量成倍提高。

2 試驗區概況

偃龍煤田二1煤層頂板為6m厚的砂質泥巖，質地松軟極易垮落。煤層底板為0.3m的膠質泥巖，其次是2～4m厚的泥質頁巖，層理發育、易破碎，下部為厚4～6m質地堅硬的灰巖。二1煤層機械強度低，硬度系數0.1～0.2，松軟易碎，多呈粉狀及小碎粒狀產出，是典型的松軟低透煤層。二1煤層在生產過程中表現出的特點是：煤質松軟適合手鎬落煤，煤質呈小顆粒或粉狀極易發生漏頂現象；煤層干燥，工作面粉塵大，巷道掘進前煤層必須注水否則無法施工；巷道圍巖松軟壓力大，煤巷維護困難，掘進施工過程中瓦斯涌出量大，掘進工作面長度超過30m時，僅靠風排已不能解決瓦斯超限問題，月掘進進尺僅為30～40m。

3 底板巖巷水力沖孔瓦斯治理技術

3.1 底板巖巷及抽放鉆孔的布置

在煤層下部灰巖內按照回采工作面走向布置巖石集中巷，在底板巖巷向煤層打穿層鉆孔，見圖1。

在底板巖巷內每間隔30m布置1個鉆場，每個鉆場布置7個鉆孔，每個鉆孔控制半徑不大于2.5m，鉆孔在煤層內煤巷預掘位置呈線性布置。采用這種布置方式，可以對巖巷超前掘進，為早日形成抽放鉆場創造條件，打鉆和煤層注水期間以巖層作為天然安全屏障，可保障施工期間安全，打鉆和煤層注水等措施工程在巖層內進行，對煤巷施工沒有影響。

3.2 水力沖孔效果

根據二1煤層煤質松軟的特點，使用壓力水很容易將鉆孔擴大，從而快速形成瓦斯解析空間，見圖2。使用壓力水進行沖孔，在每個鉆孔內沖出5～10礦車煤炭，沖孔后鉆孔內瓦斯涌出量明顯加大，1個鉆孔瓦斯抽放量由原來的70～80m3／d猛增到920m3／d以上，效果十分明顯，見圖3。可以看出，采用水力沖孔措施，效果明顯，抽放量衰減的速度較快。這是由于煤層流變作用使沖孔后形成的空洞在3～7d時間內由鉆孔周邊的煤體滑動充填，瓦斯釋放的空間和通道再一次消失。通過對流變的煤層注水后，煤層達到了新的壓力平衡，由于注水后煤層粘結，再次透孔時鉆孔的保持時間就會延長，故抽放效果穩定。

在沖孔過程中，沖孔空間有瓦斯涌出的鉆孔占總數的89%，有一部分鉆孔在沖孔過程中無法形成空間，但該類鉆孔對煤層起到充分的卸壓作用。沖孔效果見表1和表2。

表1 21021上巖巷2號鉆場鉆孔參數

表2 21021下巖巷2號鉆場鉆孔參數

3.3 沖孔后注水再次透孔

由表1和表2可知，鉆孔的有效抽放時間都很短，主要原因是沖孔后煤層的流變運動將鉆孔堵死，瓦斯涌出通道被截斷，需要再次沖孔。因此，在第一次沖孔完成后，在鉆孔中穿入一根直徑50 mm花管，花管長度大于煤層厚度（2m），利用鉆機送入到鉆孔終位置聯孔抽放。使單孔的抽放時間由原來的3～5d延長到一個月以上。

在鉆孔瓦斯流量小于0.0005m2／min時，說明鉆孔中的花管眼已經被煤堵死，此時向煤層鉆孔進行高壓注水，注水壓力控制在15～18MPa之間，經過16～36h時間，待臨近注水孔30m處的鉆孔開始滲水后注水停止。

3.4 施工方法

鉆孔施工采用西安煤科院生產的MK－3全液壓鉆機，在底板巖層內采用風動沖擊器鉆進，進入煤層后改用合金鉆頭鉆進，并使用壓風排粉。鉆孔穿煤層后將鉆頭拉回到煤層底板位置，接高壓水進行沖孔，水壓為0.5～1MPa。經過現場觀察表明，沖孔深度應不超過3m，否則很難形成空間。沖出煤量以不超過10t為宜，否則，沖孔后很快就出現塌方現象，影響瓦斯抽放效果。

3.5 鉆孔抽放半徑的確定

在通過多組鉆孔不同間距的對比發現，鉆孔間距為15～20m時有較好的抽放效果，故在保證有30d的抽放時間的前提下，確定鉆孔的抽放半徑為15m。

3.6 瓦斯抽放效果

從2月17日開始時用水力沖孔后，抽放效果明顯，1～3月份月抽放瓦斯量對比見圖4。

圖4 1～3月份月抽放瓦斯量對比

3.7 采空區抽放

工作面回采后，再次利用底板巖巷抽放鉆孔對采空區進行瓦斯抽放。當回采工作面推過底板巖巷抽放鉆孔8～12m以后，利用鉆機對鉆孔進行重新沖孔，使抽放鉆孔與采空區形成聯通空間，對采空區進行瓦斯抽放，此時，底板巖巷鉆孔處在回采工作面上隅角深部8～12m處，此處正是采空區瓦斯的集聚區域，采空區瓦斯抽放示意圖見圖5。

從工作面上巷的實際抽放情況來看，效果十分明顯，瓦斯抽放濃度在15%～20% 之間，工作面回風流的瓦斯平均濃度從0.6%降到0.3%左右，消除了工作面在放頂煤過程中出現的瞬間瓦斯超限現象。

圖5 采空區瓦斯抽放示意圖

4 結束語

通過在底板巖巷布置鉆孔進行水力沖孔，增加了松軟低透煤層瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤層實現低瓦斯施工。同時，利用抽放鉆孔進行煤層注水和采空區抽放，實現了“一孔三用”，減少了施工工序。將在煤巷掘進工作面實施的措施工程提前移到底板巖巷中進行，不但保證了施工期間的安全，而且大幅提高了巷道的掘進速度，工作面回采時，利用抽放鉆孔再次進行抽放，最大限度地發揮措施工程的作用。

從永華二礦12041進風巷和回風巷掘進情況看，煤層經過卸壓預抽，瓦斯問題已基本不影響煤巷掘進，煤巷掘進速度明顯加快，每月掘進度由不足40m提高到80～120m水平。回采工作面消除了瓦斯制約產能的現象，月生產能力由1.5萬t增加到6.5萬t，增加年經濟效益近億元。

［1］ 胡勝勇，周福寶，夏同強等.超前頂板卸壓消突技術的試驗與應用研究［J］.中國煤炭，2010（3）

［2］ 郭峰.低透氣突出煤層水力壓裂增透技術應用研究［J］.中國煤炭，2011（2）

Gas control of floor rock roadway in soft low permeability coal seam by hydraulic flushing

Cheng Dongquan1，Sun Fei2
（1.Antai College of Economics and Management，Shanghai Jiao Tong University，Changning，Shanghai 200052，China；2.Henan Yonghua Energy Co.，Ltd.，Luoyang，Henan 471924，China）

Aimed at the difficulties existed in the gas control during soft low permeability coal seam mining，the hydraulic flushing technology was proposed for the floor rock roadway in the soft low permeability coal seam，whose principle was described.Its application toⅡ1coal seam of Yanlong coalfield showed that the gas concentration was in the range of 15%～20%in the upward roadway at No.12041working face，while this value decreased from 0.6%to 0.3%in the return air at the working face.Moreover，the instant gas overrunning was avoided during top coal caving.

soft low permeability coal seam，floor rock roadway，hydraulic flushing，one borehole used for three purposes

TD712.62

A

程東全（1965－），男，河南永城人，博士后，教授級高工，主要研究方向為供應鏈管理和安全管理。

（責任編輯 梁子榮）