高壓水射流卸壓增透瓦斯治理技術研究與應用

孫大亮

（國投新集公司 新集一礦，安徽 淮南 232170）

1 概述

石門揭穿突出危險煤層時一般具有較大的突出危險性，且突出強度高。相關資料表明，石門揭煤時的平均突出強度為煤巷的7～14倍。千噸以上的特大突出90%是發生在石門揭煤時，突出瓦斯涌出量比較大。石門揭煤地點的煤層瓦斯壓力、應力都處于原始狀態，揭穿煤層時，工作面由堅硬的巖層突然進入較松軟的煤層，這些因素都為發生突出提供了有利的條件。同時，因石門揭煤施工工藝的特殊性，揭穿突出煤層的全過程都有危險，并可能發生連續突出、延期突出和自行揭開突出，比一般類型的突出對人身安全的危害更大；另一方面，新建礦井、新水平或新采區的準備又不能避免石門揭煤。因此，石門揭煤前制定合理有效的專項防突技術，對礦井石門的安全、高效揭煤具有十分重要意義。

近年來，隨著機械化采掘的日益發展，開采深度逐漸增加，煤與瓦斯突出的危害程度日益嚴重，特別是高應力、大采深的松軟低透煤層，需要耗費大量時間和工程量抽放，易造成生產接替緊張。因此如何在高應力大采深的松軟低透強突出煤層中提高瓦斯抽采率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，是礦井瓦斯災害防治急需解決的關鍵問題。

2 工程概況

新集一礦-700m 中央行人暗斜井巷道在H103點北7.6m，繼續向前施工5.6m、12.5m、29.6m、55.4 m、69 m 將分別從巷道頂板揭露4煤、5-1 煤、5-2煤，揭煤標高均為-701.351m。巷道所揭4煤、5煤區段位于F10斷層以北，6～7勘探線之間，所揭4煤、5煤屬未進行突出危險性鑒定煤層，6煤屬突出煤層未劃分區域，所揭煤層均為新水平首次揭露。目前本礦采用的穿層鉆孔預抽還是以原始煤體的透氣性抽放瓦斯，單孔抽放量小，預抽時間長，抽放效果不是很好（見表1、表2）。該巷為本礦三水平開拓重點工程，揭煤工期至關重要，為加快新水平開拓進度，本礦與科研單位合作，采取強化卸壓增透措施。

表1 -700 m中央行人暗斜井揭4、5煤瓦斯參數測試結果

表2 -700 m中央行人暗斜井揭4、5煤△P、f值測試結果

3 高壓水射流防突機理分析

1）沖出大量煤體，為煤體膨脹變形提供了充分的空間，周圍煤體在地應力作用下發生了膨脹變形，使地應力向四周移動，即起到局部卸壓作用。

2）不但沖孔期間排放大量瓦斯，而且由于煤體的膨脹變形，增加了煤層的透氣性，擴大了瓦斯抽采半徑，提高了抽排效率，有效地降低煤層瓦斯含量。

3）濕潤煤體，使煤體減少脆性，增加了煤體塑性，降低煤體彈性勢能，另外，濕潤煤體后，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度，減小瓦斯膨脹能。

4 高壓水射流的應用

新集一礦-700m 中央行人暗斜井揭5煤期間在巷道迎頭及兩幫鉆場共設計68個預抽鉆孔，其中選取5個鉆孔采取高壓水射流卸壓增透措施，評價單元安裝V 錐自動計量裝置對瓦斯濃度、抽放量等參數進行比較，后期再施工測壓鉆孔進行殘余瓦斯壓力測定。

4.1 現場試驗效果

2013年9月8日至2013年10月17日所有鉆孔施工完成，實際施工68個鉆孔，總工程量2552.2m，其中沖孔5個，沖孔記錄見表3，措施孔竣工情況見圖1。

表3 -700 m中央行人暗斜井揭5煤沖孔記錄

圖1 -700 m中央行人暗斜井揭穿5煤層區域防突措施鉆孔竣工圖

4.2 提高瓦斯濃度和抽放量

揭煤區域共設計施工5個高壓水射流鉆擴一體化擴孔試驗鉆孔，根據式（1）計算單個鉆孔排出煤屑率η煤渣，擴出煤屑的排屑率見表4。

表4 單孔排除煤屑量

由表4 可知，試驗鉆孔的排出煤渣率為1.6%～2.7%，試驗應用高壓水射流鉆擴一體化技術達到了預期目的。

4.3 效果分析

根據實際監測，進行水力沖孔期間，巷道迎頭瓦斯濃度為0.1%～0.12%，回風瓦斯濃度為0.08%～0.1%，與巷道施工普通抽放鉆孔期間相同。

通過對采用高壓水射流的鉆孔及其周邊普通鉆孔孔內瓦斯濃度分析，鉆孔抽采前期孔內瓦斯濃度較大，且周邊鉆孔孔內瓦斯濃度上升較為明顯。如J526-2采用高壓水射流后抽采前10天孔內瓦斯濃度為7.4%～19%，后期孔內瓦斯濃度降為1%～5%，而該鉆孔左邊的J526-3鉆孔在J526-2鉆孔未沖孔前孔內瓦斯濃度為1%～2.5%，J526-2沖孔后該孔內瓦斯濃度上升為3%～8.8%。J522-5鉆孔在其相鄰的J522-4鉆孔未沖孔前孔內瓦斯濃度為3%～5.2%，J522-4鉆孔沖孔后J522-5鉆孔孔內瓦斯上升為6.8%～22.8%。

4.4 效果評價

-700m 中央行人暗斜井揭穿5煤層執行區域防突措施后，共抽采瓦斯約15000m3，抽采率為65.7%；實測殘余瓦斯含量最大值為2.6098 m3／t，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2最大值為70Pa，-700m 中央行人暗斜井揭穿5煤層區域防突措施有效。

5 注意事項

1）巷道迎頭因掘進放炮影響，巖層破裂嚴重，采用水力沖孔時，孔口易垮孔導致孔內憋孔，如水壓過大時易引起破碎巖石隨水壓突然噴出，存在安全隱患。故在巖石破碎帶采用水力沖孔時，應先對巖層進行注漿加固，并且在鉆孔孔口向里下置套管，防止孔口垮孔埋鉆。

2）水力沖孔時，應緩慢轉動鉆桿，同時來回拉動鉆桿，保證煤渣能正常排出。若出現垮孔，可適當加大轉速，并保持來回拉動鉆桿防止埋鉆。

3）換鉆桿時，應在鉆孔返水正常下進行，防止憋孔、埋鉆，若鉆孔內垮孔堵死，壓力表上升到20 MPa以上仍不能沖開時，必須停止進水，防止孔內高壓水及瓦斯噴出傷人或造成瓦斯超限。

4）高壓泵放置地點不應離鉆機地點過遠，保證開鉆機人員與開泵人員能方便聯系。

6 結語

以上數據表明，在采用強化卸壓增透措施后，增大了煤層透氣性系數，擴大了抽放半徑，提高了瓦斯抽采濃度和抽采量，減少了預抽時間，實現區域快速消除煤與瓦斯突出危險性，保證了在無保護層開采煤層的采掘正常接替。

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