底抽巷水力沖孔卸壓增透技術在高瓦斯礦的應用

湯 輝

(潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103)

1 工程概況

潞安集團余吾煤礦年產煤量超1000萬t，井田地質構造相對簡單，屬高瓦斯礦井。根據現場實際需要，余吾煤業水力沖孔措施的工程應用在N2205工作面底抽巷開展。N2205工作面底抽巷布置于N2203回風平巷與N2205膠帶平巷之間，按照余吾煤業N2203回風平巷的掘進要求，兩幫預抽寬度控制在17m左右。N2203底抽巷與N2205工作面平、剖面位置關系見圖1所示。

N2203底抽巷穿層鉆孔在整個預抽區域內呈網格式均勻布置，鉆孔穿透煤層全厚進入頂板0.5m，孔徑為94mm。穿層鉆孔在頂板處間距為5m（按5m×5m網格狀布置），控制范圍為被掩護巷道兩側輪廓線外17m。每組穿層鉆孔共布置9個鉆孔，其中5個鉆孔布置于N2203底抽巷頂板，鉆孔間距350mm；4個鉆孔分兩列布置于巷道右幫上部，鉆孔距頂250mm，上下間距300mm，兩排鉆孔間距400mm。N2203底抽巷中開孔位置詳細參數如表1所示。

圖1 N2203底抽巷與N2205工作面平、剖面圖

表1 穿層鉆孔位置詳細參數表

2 穿層鉆孔布置方式設計

2.1 鉆孔間距的確定

鉆孔間距的確定過程應考慮鉆孔的覆蓋范圍、工程量等實際情況。按照余吾煤業N2203掘進工作面的要求，兩幫預抽寬度控制在17m左右。考慮常規的鉆孔間距4m、5m、6m的情況，對這3種間距進行分析，見圖2所示。

圖2 不同鉆孔間距覆蓋效果對比圖

對于4m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍可以達到17.5m，每排共需11個鉆孔才能實現覆蓋。對于5m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍也可以達到17.5m，每排共需9個鉆孔實現覆蓋。對于6m間距鉆孔中心對稱布局而言，如果只打7個孔，巷幫控制范圍只能到達15.5m，與17m控制范圍相差1.5m，無法實現覆蓋要求。對于6m間距鉆孔軸對稱布局而言，巷幫控制范圍也可以達到18.5m，每排共需鉆孔8個實現覆蓋。顯然，對于4m與5m間距鉆孔布局而言，巷幫控制范圍相同，但是5m間距鉆孔每排少打2個鉆孔。按照1個鉆孔平均1個班的施工時間計算，按照5m間距布局，每排可以省去2個班的施工時間，因此，5m鉆孔更優。對于6m間距布局而言，雖然只需8個孔，且覆蓋范圍超過17m要求，但是單個鉆孔的卸壓范圍過大，單孔的沖孔時間會大幅度增加。由于沖孔鉆孔存在誘發小型突出的風險，增加沖孔時間會增加施工風險，同時上覆巖層下沉垮落的危險也在不斷增加。總體而言，6m間距下的沖孔鉆孔對各方面要求較高，會嚴重拖延施工進度。綜上所述，采用5m鉆孔間距既可以實現煤層卸壓，又可以將施工量控制在可接受范圍內，是最合理的方案。

2.2 鉆孔布局的確定

穿層鉆孔在煤層頂板位置處的布置方式俯視圖如圖3所示。兩種布置方式均采用錯位水力沖孔的方式，以求最大化的利用沖孔鉆孔帶來的煤層卸壓增透效果。唯一不同的是，在交替式布孔方式下，每隔一個普通鉆孔就存在一個沖孔鉆孔；而在間隔交替式布孔方式下，每兩排鉆孔中會存在一排普通穿層鉆孔，該排不進行沖孔作業。

圖3 穿層鉆孔布置方式對比圖

從煤層卸壓增透的角度來看，由于交替式布孔方式每排都進行了沖孔措施，卸壓較為均勻，卸壓覆蓋率較高；而間隔交替式布孔方式的沖孔鉆孔之間距離較遠，卸壓效果與前者相比覆蓋率低一些，存在一小部分卸壓盲區，見圖4所示。然而，從施工進度上進行考量，由于間隔交替式布孔方式存在大量普通穿層鉆孔，水力沖孔鉆孔數量被大大減少，略等于交替式布孔方式的一半，因此可以省下大量的沖孔時間，工程量較小，進度較快，可以滿足井下進度要求。綜上所述，穿層鉆孔采用間隔交替式鉆孔布局方式，錯位布孔，鉆孔間距5m，這種布局方式能夠使得沖孔鉆孔的卸壓增透效果被充分利用。

圖4 不同穿層鉆孔布置方式的卸壓效果對比圖

3 鉆孔瓦斯流量衰減系數對比

瓦斯流量衰減系數是考察增透措施的重要指標。衰減系數越大，煤層透氣性越差，抽放影響范圍越小，高效抽放的可持續性越差；反之，衰減系數越小，抽放影響范圍越大，透氣性越好，抽放效果越好。利用現場沖孔效果較好的沖孔鉆孔作為測量鉆孔，并采用相應的瓦斯流量測量裝置對該鉆孔進行定期測量。每次測量時間為3min，該過程中多次測量混流瓦斯濃度，測算平均值。同理，對沖孔鉆孔測量孔周圍的普通鉆孔也進行瓦斯流量定期測量，作為對比數據。

不同鉆孔的煤層段長度不一致，所測數據需要根據各自鉆孔長度換算成百米鉆孔瓦斯流量數據，同時需要折算到1min 內流量數據，如圖5所示。圖中1#～9#鉆孔為普通鉆孔，10#鉆孔為水力沖孔鉆孔，需要注意的是，普通鉆孔與沖孔鉆孔的觀測時間略有不同。

根據圖中普通鉆孔和水力沖孔鉆孔的瓦斯純流量衰減變化規律，并結合公式（1）對其曲線進行擬合，可以得到擬合公式和對應的瓦斯流量衰減系數，見表2所示。

根據表2可知，普通鉆孔的瓦斯流量衰減系數普遍在0.02～0.025之間，而沖孔鉆孔的瓦斯流量衰減系數僅為0.003。可以看出，沖孔鉆孔的衰減系數僅為普通鉆孔的1/7～1/8左右，表明沖孔鉆孔卸壓增透范圍更廣，煤體增透效果更好，有效抽采服役時間更長。

圖5 瓦斯純流量衰減變化圖

表2 普通鉆孔和沖孔鉆孔瓦斯流量衰減系數擬合數據

4 結論

（1）通過對比4m、5m、6m鉆孔間距下的卸壓覆蓋范圍，充分考慮卸壓區域以及減少施工量的因素，確定了最合理的鉆孔間距為5m；同時，對比了不同的沖孔布局方案，分析其卸壓效果、存在的盲區大小以及工程施工量等關鍵點，確定了間隔交替式沖孔方案。

（2）水力沖孔效果考察試驗表明，沖孔鉆孔的瓦斯流量衰減系數為0.003，僅為普通鉆孔的1/7～1/8左右，持續性更強，瓦斯抽采效率和效果都明顯優于普通鉆孔區域。