水力造穴卸壓增透一體化技術在新景礦的應用研究

武國勝 武澤銘 白新華

(河南鐵福來裝備制造股份有限公司，河南省平頂山市，467000)

我國是瓦斯事故特別嚴重的國家之一，瓦斯災害的治理已成為礦井安全生產工作的重點，瓦斯災害防治重點和難點是瓦斯抽采和防突，提高煤礦瓦斯抽采率是煤礦安全生產的治本之策。我國成煤時期長，大部分礦區構造復雜，透氣性低，82%煤層滲透率小于1 mD，大多數礦井瓦斯平均抽采率僅有23%。陽泉礦區煤質極松軟、透氣性差，突出危險性大，幾乎沒有保護層開采條件。目前采用了地面煤層氣開采、水力壓裂、CO2預裂、水力沖割縫等措施，采用穿(順)層鉆孔預抽煤層瓦斯，施工底板抽放巷治理回風巷掘進條帶瓦斯，同時施工低位高抽巷治理工作面上隅角瓦斯。因煤層可鉆性差且易引起孔壁坍塌以及煤層透氣性差等原因，抽采效果差，瓦斯災害嚴重制約了礦井安全高效回采和可持續發展。通過開展水力造穴卸壓增透一體化裝備及技術的研究，提升了礦井的機械化裝備水平，增加了煤層透氣性，提高了瓦斯抽采效果、防突指標效檢超標率明顯降低，顯著降低了煤與瓦斯突出危險性，實現了安全、快速掘進，最終帶來了顯著的安全效益和經濟效益。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市區西部，距陽泉市中心11 km，井田東南部為辛興煤礦和神堂嘴煤礦，東北部為三礦井田，北部為一礦井田，西部為七里河井田，西南部為保安煤礦，南部為二礦井田，整體東西長10.5 km，南北寬8.5 km，井田面積59.3 km2。

礦井地理區位處于太行山北段西側南麓低中山區，由于地殼長期隆起，侵蝕基準面下降，切割較深，溝谷縱橫，地形陡峻，形成了較為復雜的中低山地貌。區內總體地勢呈西北高，往東南方向逐漸降低的趨勢。

礦井生產能力750萬t/a，主斜井-副立井混合開拓方式，礦井主生產水平+525 m，準備水平+420 m；采用抽出式通風，分區式通風系統，有6個進風井和5個回風井，礦井總入風量80000 m3/min，總回風量79990 m3/min，普遍采用“U+I”型通風系統，設置進風巷、回風巷、內錯尾巷和走向瓦斯高抽巷4條回采巷道。

主要含煤地層為上石炭系太原組和下二疊系山西組，煤系地層總厚度平均為181.0 m，穩定且全區可采的為3#和15#煤層，煤層堅固性系數f為0.38～0.52，煤層透氣性系數為0.0188～0.1377 m2/MPa2·d，鉆孔百米流量衰減系數為0.0687～1.5942 d-1，煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，屬于典型的松軟、低透、高瓦斯突出煤層，期間曾發生多次煤與瓦斯突出事故。

2 水力造穴卸壓增透一體化裝備及技術

水力造穴卸壓增透一體化技術是通過煤礦用履帶式鉆機在煤體中先形成一個鉆孔，在預定位置實現變徑造穴，造穴部位卸出一定量的煤體，形成一個類圓柱狀孔硐室，為含瓦斯煤體膨脹變形、卸壓、位移提供了空間，同時促進煤體裂隙網絡發育，煤層透氣性大幅度增高，促進瓦斯有效抽采，最終消除煤與瓦斯突出危險性。通常情況下，成套設備提供18 MPa、200 L/min的動力輸出，高壓水對煤層進行造穴后通常形成直徑0.6～1 m，長度1 m的洞穴空間，總體實現了對含瓦斯突出煤體卸壓、增透，達到了減弱、消除煤與瓦斯突出危險性的目的。水力造穴示意圖見圖1。

圖1 水力造穴示意圖

河南鐵福來裝備制造股份有限公司聯合中國礦業大學研發成功了ZDY4500系列造穴鉆機。ZDY4500系列造穴鉆機具有適應煤層堅固性系數f≤10的各種煤巖層，寬度小于1 m，導軌可實現水平±180°旋轉，俯仰±90°調角，履帶式承載，獨立行走，原地轉向，工作機構與動力系統合為一體，結構緊湊、全液壓控制，省時、省力高效；高壓水泵站具有26 MPa、流量200 L/min的高壓力、大流量輸出；打鉆、造穴鉆具單元由高壓密封鉆桿、高壓水旋轉接頭和高低壓水流轉換閥組成，具有常規水壓實現正常打鉆、高壓狀態水力徑向射出造穴功能，實現高低壓自由轉換，做到了不退出、更換鉆桿，打鉆、造穴一體化操作；煤水瓦斯固液分離車實現以煤為主的固體走上部，水流走下部，干濕有效分離，采用履帶行走，提高對井下巷道的適應性，分離效果好，減輕工作強度、利于標準化建設，擁有50 m3/h混合物處理能力。

3 技術實施

選取在新景礦3#煤層的3216工作面進行水力造穴的工業性試驗，便于后期效果考察對比，同時在該巷道的其他區段選取同樣地質條件下的常規抽采區域作為對比。選取具有代表性的5個施工循環進行技術效果考察，造穴鉆孔主體沿巷道掘進方向施工，巷道上幫方向施工仰角孔，巷道預定位置(中間)施工水平孔，下幫施工俯角孔，鉆孔的方位角參照巷道掘進中心軸線為0°，鉆孔布置如圖2和表1所示。

圖2 水力造穴鉆孔布置平面圖

表1 水力造穴鉆孔布置參數

掘進工作面巷道寬度5 m，掩護巷道掘進兩幫各15 m，水力造穴控制區域為35 m，水力造穴孔孔底間距6～7 m左右，鉆孔控制、釋放掘進條帶瓦斯，降低地應力、瓦斯壓力；施工完鉆孔后，實施后退式造穴，即先施工預定孔深的鉆孔，使用打鉆造穴單元從孔底往外段依次造穴，造穴長度1 m左右，預計造穴直徑0.8～1 m，造穴出煤量采用現場實際計量，造穴完成后，后退7～10 m進行第二處造穴，以此類推，直到該鉆孔最外段距離掘進斷面煤壁20 m附近，完成該鉆孔造穴；重復完成該掘進工作面其他鉆孔的造穴作業。管路沿線的非造穴作業人員需要撤離，造穴施工過程中，多伴隨有響煤炮聲以及瓦斯、煤水混合物大量涌出等現象，水力造穴過程中壓力有較大波動，維持在11～24 MPa，流量在200 L/min左右，單穴造穴用水量6～8 m3，單穴出煤量預計1.0～1.55 t。

4 水力造穴技術效果考察

4.1 造穴出煤量考察

水力造穴施工過程切割、破碎大量煤體，煤水混合物從孔口流出，經煤水瓦斯固液分離車處理，并計量、稱重。部分造穴段出煤量多達3.7 t，最少出煤量0.6 t，單孔平均出煤量在1.3 t左右。以第5循環為例，設計、施工造穴段55個，共計出煤量70.6 t。其中以6#中間孔為例，6#中間孔共造穴8處，出煤量共計13.1 t，最外段造穴位置為22～23 m，編號為1#，最里段造穴位置為92～93 m，編號為8#，造穴段間距統一設定為9 m，造穴出煤以煤水混合物中煤屑大量減少、水流逐步變清為止，時間普遍在35 min，1#～8#造穴孔出煤量分別為1.5 t、1.3 t、1.2 t、1.5 t、0.7 t、2.1 t、1.3 t和3.5 t。

造穴過程中，控制區域內煤體卸出率達到5.98‰～8.92‰，平均在7.5‰，開采保護層的效果考察認定認為：被保護層的最大膨脹變形量大于3‰，則檢驗和考察結果可適用于其他區域的同一保護層和被保護層。因此本文認為，水力造穴卸出大量煤體，直觀整體卸壓效果良好。卸出煤體導致煤層變形、位移、膨脹，施工過程伴隨大量瓦斯的釋放，同時是地應力緩和降低的重要指標。在后期效果考察中掘進至造穴對應位置時，觀測到造穴段煤體重新運移跡象，造穴孔硐基本恢復，煤體破碎、擾動痕跡明顯，周圍煤體濕潤，可見毫米級主縫隙存在，縫隙方向多為垂直鉆孔鉆進方向，直觀驗證了造穴孔增透、卸壓的效果；煤體大量位移為地應力、煤體瓦斯壓力釋放、降低提供了位移空間，造穴破碎、擾動了煤體，形成新的裂隙、溝通原有裂隙，構成了發育的裂隙網絡?？刂茀^域造穴出煤統計見表2。

表2 控制區域造穴出煤統計

4.2 瓦斯抽采效果

選取第5循環1#、6#造穴抽采孔的抽采數據，與本巷道常規區域未采用水力造穴的抽采孔進行對比分析，抽采負壓平均為14 kPa，地理條件位于同一巷道內，認為是同樣瓦斯地質條件、同樣抽采工況，利于對比分析，從抽采時間和抽采濃度上進行分析比較。水力造穴措施孔抽采濃度維持在30%以上的時間長達20 d以上，常規措施孔聯抽后6 d衰減到30%左右(選取30%為有效濃度)，10 d就衰減到10%左右。造穴前后抽采情況對比如圖3所示。

圖3 造穴前后抽采情況對比

掘進工作面水力造穴抽采孔數量為11個(通常后期適當補充5個左右鉆孔)，孔底間距為6～7 m；常規抽采孔數量為35～40個左右，孔底間距為2～3 m，抽采孔數量降低了60%左右，在抽采孔數量大幅度降低的情況下，抽采濃度提高、抽采時間延長，綜合抽采效果提高1倍以上。

在抽采半徑增大1倍以上的情況下，瓦斯平均抽采濃度大幅度提高，以6#造穴孔為例，單孔抽采純量為0.83 m3/min，該循環11個抽采孔，日抽瓦斯高達2700 m3/d，考察期內該區域抽采瓦斯共計43000 m3，抽采瓦斯濃度、流量滿足發電、居民使用要求；抽采時間大幅度延長，由以前的有效抽采6 d左右提高到措施后的22 d，提高了2.6倍；水力造穴措施控制區域內，綜合煤厚、平均瓦斯含量、煤體密度、結合控制區域面積，計算區域范圍內一次有效預抽率為35%以上，比造穴前一次預抽率的12%提高了近2倍，促進了抽采達標。

4.3 防突指標效檢超標率情況

在水力造穴措施控制區域內，瓦斯抽采后，對應掘進期間，進行防突鉆屑瓦斯解吸指標K1的考察統計，同時選取常規措施區域K1進行對比分析。常規措施區域一次效檢合格率較低，存在效檢指標超標情況，在統計的75 m掘進區間內，超過臨界值的區段有6次，局部K1高達0.85 mL/(g·min)0.5，超過指標臨界值，導致重新補充局部防突措施，在進行二次效檢時，增加了施工工序，增加了防突成本，延長了防突時間，降低了掘進效率；在采用水力造穴措施后，效檢合格率大幅度提高，在統計的75 m掘進區間內，超過臨界值的區段僅有2次，分別為0.57 mL/(g·min)0.5、0.52 mL/(g·min)0.5，效果檢驗合格率提高了2倍，一次效檢合格率提高到了92%，節省了大量的防突措施工程量，爭取了大量的有效掘進、回采時間。造穴前后效檢情況對比如圖4所示。

圖4 造穴前后效檢情況對比

4.4 掘進工作面掘進速度考察

考察水力造穴控制區域的煤巷掘進，防突指標效檢合格率大幅度提高，不需要再重復進行局部防突措施補充，抽采效率同比提高，掘進過程中，風流中濃度大幅度降低，杜絕了局部風流超限現象，掘進工作面的防突措施孔也由常規的40個左右減少到目前15～20個左右，綜合以上情況，防突工程量減少、抽采效率提高、防突效檢合格率提高，綜合表現為掘進速度提高，統計了3個月的掘進進尺，月掘進進尺依次為75 m、82 m、80 m；對比常規措施區域月進尺50 m，效果提高了58%，其他各項參數明顯同比改善。造穴前后掘進速度對比見表3。

表3 造穴前后掘進速度對比

4.5 經濟效益分析

使用水力造穴措施后，在影響范圍內，煤體物性得以改善，含水量增加、塑性增強，裂隙溝通形成網絡，透氣性增加，使得瓦斯抽采半徑增加，在對應掩護掘進條帶的35 m范圍內，防突鉆孔工程量減少了50%以上，瓦斯抽采效率提高，防突指標效檢一次合格率提高20%，期間因瓦斯濃度降低，通風、供電、效檢等費用大幅度降低，預計一次循環施工可帶來直接經濟效益18萬元。

5 結語

(1)水力造穴成套裝備履帶平臺承載，方便靈活，能提供26 MPa左右高壓力、200 L/min大流量動力輸出，在預定造穴段變徑造穴，孔穴范圍為1 m，直徑0.6～1 m的類圓柱狀空間，降低了地應力；平均單穴卸出煤量1 t，區域煤體卸出率7.5‰，形成新裂隙、溝通原有煤體裂隙，形成裂隙網絡，增加煤層透氣性。

(2)水力造穴措施控制區域，瓦斯抽采效率大幅度提高，在瓦斯濃度30%以上維持22 d以上，單孔抽采純量最大0.83 m3/min，一次有效預抽率為35%，降低了水力造穴措施區域煤層瓦斯含量，消弱了瓦斯膨脹能。

(3)水力造穴措施控制區域防突指標K1效檢一次合格率90%左右，防突指標效檢超標率明顯下降，節省了大量的防突措施工程量，掩護煤巷掘進進尺也由常規措施區域的50 m/月提高到79 m/月，粗略計算，一個造穴循環節省直接防突成本18萬元以上，為礦井綠色發展提供了支持。