水力沖孔造穴技術在瓦斯抽放中的應用

郭新兵

（潞安集團司馬煤業公司，山西 長治 047105）

受地應力及煤質條件影響，礦井采掘煤層煤體內膨脹系數小，變形位移量小，煤層透氣系數降低，瓦斯抽放鉆孔施工時難度大且瓦斯抽放效率低，給高瓦斯或具有煤與瓦斯突出危險礦井瓦斯治理帶來了困難。本文以司馬礦3#煤層1208工作面為研究對象，提出水力沖孔造穴技術，即通過造穴設備在煤層中進行鉆孔，并卸取煤層中一定量煤體，使得鉆孔附近煤體形成孔洞現象，為煤體膨脹變形、位移提供了空間，在地應力作用下致使空穴周圍煤體向其進行膨脹變形，加大了煤體膨脹系數及透氣性，從而達到進一步提高煤層瓦斯抽放效率的目的。

1 概述

潞安集團司馬煤業公司位于山西省長治市西南部，礦井設計生產能力為3.0Mt/a，井田內3#、15#煤層為全區可采煤層，8-2、9、14號煤層為大部可采煤層。目前回采煤層為3#煤層，該煤層位于山西組下部，屬石炭二疊紀煤層，煤層堅固系數為0.4，煤層平均厚度為6.64m。

1208工作面位于井田二采區，工作面東部、北部為實煤區，南部為1207采空區，工作面走向長度為1495m，傾向長度為220m。由于1208工作面在回采期間共揭露5條正斷層，受斷層裂隙帶及采空區影響，平均瓦斯涌出量為6.4m3/min，且通風后工作面瓦斯濃度在1.2%～1.8%之間，工作面經常出現瓦斯超限斷電現象。1208綜采工作面采用的是本煤層順層瓦斯抽采方法，但是由于3#煤層透氣性系數為0.3628～1.1411m2/MPa2·d，衰減系數0.3194～0.7845d-1，煤層瓦斯抽采難度大，平均瓦斯抽放率為27.8%，瓦斯抽采效率低，且抽采時間長，不僅影響著工作面正常回采，而且抽采后工作面仍經常出現瓦斯超限現象。

2 水力沖孔造穴技術

為了進一步提高3#煤層透氣系數，降低鉆孔瓦斯流量衰減系數，研究決定對3#煤層1208工作面瓦斯抽采采取水力沖孔造穴技術。

2.1 水力沖孔造穴技術原理

通過水力造穴一體化設備卸出一定量的煤體，在鉆孔周圍形成一個孔洞，為煤體膨脹變形、位移提供了空間；孔洞周圍煤體發生膨脹變形，向孔洞方向發生位移，在鉆孔影響范圍內地應力降低，煤層充分卸壓；煤體裂隙網絡發育，煤層透氣性大幅度增高，促進瓦斯有效抽采，實現對含瓦斯突出煤體卸壓增透區域瓦斯治理。

2.2 水力沖孔造穴設備選取

司馬礦3#煤層1208工作面水力造穴采用的是GF-100型超高壓水力割縫裝置，該裝置主要由金剛石復合片鉆頭、淺螺旋整體鉆桿、高壓旋轉水尾、高壓清水泵、高低壓轉換割縫器、高壓軟管等組成。

2.3 水力沖孔造穴施工工藝

（1）首先將水力造穴一體化設備安裝在1208工作面回風順槽內，并依次安裝金剛石復合片鉆頭、孔口三防裝置、高低壓轉換割縫器、淺螺旋整體鉆桿以及高低壓水管路。

（2）造穴鉆孔布置在距回風順槽頂板1.5m處（回風順槽高度為3.5m），鉆孔垂直順槽布置，鉆孔孔徑為113mm，鉆孔間距為4.0m。

（3）當鉆桿高壓鉆進至回采煤層30m處時，利用高壓旋轉水刀在指定區域來回拖拉鉆桿對煤體進行破碎、剝蝕，并把破碎的煤體沖出孔外，完成第一個人工造穴，造穴長度為1.0m，直徑為0.8m，造穴水壓為16～50MPa，造穴時間20～40min/穴，造穴出煤量1t左右。

（4）第一個人工造穴完成后繼續鉆進并施工第二個人工造穴，相鄰兩個造穴間距為8m，依次類推直至1208工作面煤層全部造穴完成，如圖1所示。

（5）水力沖孔造穴完成后，在鉆孔內安裝瓦斯抽放管路，對每個鉆孔進行瓦斯預抽，預抽時間不得低于15d。

（6）3#煤層在水力造穴時提高了煤層透氣性和瓦斯釋放能力，鉆孔時可能出現瓦斯涌出現象，所以在水力造穴期間在孔口安裝瓦斯監測裝置，瓦斯超限時必須及時采取瓦斯治理措施。

圖1 司馬礦3#煤層1208工作面水力沖孔造穴施工剖面圖

3 應用效果分析

司馬礦采用水力沖孔造穴技術對3#煤層1208工作面進行瓦斯抽放期間，通過實驗數據顯示取得顯著效果，主要表現在以下幾方面：

（1）提高了瓦斯鉆孔成孔率。由于司馬礦3#煤層屬石炭系軟巖煤層，煤層堅固系數在0.4左右，施工普通鉆孔時經常出現鉆孔塌陷現象，成孔率低，而采用水力沖孔造穴技術后鉆孔成孔率提高了30%。

（2）提高了煤層透氣系數。采用水力沖孔造穴技術后松軟低透煤層在應力作用下，向人工造穴處進行擴張，從而提高了煤層透氣性系數，經檢測1208工作面采用水力沖孔造穴技術后煤層透氣系數提高至 4.72m2/MPa2·d。

（3）提高了單孔抽采效率，降低了單孔瓦斯抽采時間。1208工作面采用水力造穴鉆孔預抽瓦斯時單孔抽采純量是普通鉆孔的2.5倍，水力造穴鉆孔瓦斯抽放后噸煤降低瓦斯含量為普通鉆孔的2.85倍；同時水力造穴鉆孔單孔抽放時間較普通鉆孔縮短了6d。

（4）降低了煤層瓦斯含量和瓦斯涌出量。1208工作面采用水力造穴鉆孔進行瓦斯預抽后，工作面在回采期間未出現瓦斯超限斷電現象，工作面及采空區內瓦斯濃度控制在0.4%以下，整個煤層瓦斯抽放效率提高至42.7%。

4 結束語

潞安集團司馬煤業公司3#煤層1208工作面采取水力沖孔造穴技術后，有效提高了煤層瓦斯透氣性系數，解決了軟巖低透煤層瓦斯抽放鉆孔施工過程中出現的塌孔難題，提高瓦斯抽放效率，縮短了單孔抽放時間，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著成效。