水力沖孔造穴技術在煤層瓦斯抽放中的應用

武德峰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 概 述

山西新元煤炭有限責任公司31004輔助進風巷工作面位于井田十采區，設計長度為2810m，巷道斷面規格為寬×高=5.2×3.2m，工作面回采煤層為3#石炭系煤層，平均厚度為2.67m，工作面采用綜合機械化掘進施工工藝，截至目前巷道已掘進720m。

由于新元礦屬于煤與瓦斯突出礦井，3#煤層相對瓦斯涌出量為20.01m3/t，絕對瓦斯涌出量為209.93m3/min；31004輔助進風巷在前期掘進期間為了降低煤層突出危險性，減少工作面瓦斯涌出量，對工作面迎頭施工瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽，但實際應用效果相對較差，煤層瓦斯預抽后在掘進時工作面平均瓦斯涌出量6.2m3/min，平均瓦斯濃度在1.7%，經常出現瓦斯超限斷電現象，不僅降低了施工巷道掘進效率，而且嚴重威脅著工作面安全施工。

2 傳統瓦斯抽放方法及問題分析

2.1 傳統瓦斯抽放方法

31004輔助進風巷開口掘進20m后開始對工作面施工瓦斯抽放鉆孔進行煤層瓦斯預抽，在距工作面頂板1.2m處布置一排抽放鉆孔，共計10個，鉆孔間距為0.5m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔深度為120m；鉆孔施工完后對鉆孔開口10m范圍內采用聚氨酯進行封孔處理，并安裝瓦斯抽放管路進行瓦斯預抽；每組鉆孔施工后允許巷道掘進距離為90m，超前30m，每個鉆場瓦斯抽采時間不得低于10d。

2.2 問題分析

1）鉆孔抽放效果差：由于3#石炭系煤層發育不穩定，煤層內地應力大，鉆孔在施工期間經常出現塌孔現象，鉆孔成孔率僅為42%，同時3#煤層透氣性系 數 為 0.4611～1.0526m2/MPa2·d， 衰 減 系 數0.3194～0.7845 d-1，煤層瓦斯抽采難度大、效率低，通過對巷道前期鉆孔抽采率監測發現，煤層抽放效率僅為27%。

2）鉆孔封孔質量不合格：采用水泥砂漿進行封孔，注漿壓力為1.0MPa，封孔長度為10m，由于受鉆機及鉆桿擾動破壞影響，鉆孔周圍煤體在徑向方向產生裂隙，最大裂隙延伸長度達2.0m，采用水泥砂巖進行封孔時無法對煤體裂隙進行有效封堵，而且通過對鉆孔瓦斯抽放濃度檢測發現，鉆孔在10-20m范圍瓦斯濃度成降低趨勢，單孔瓦斯抽放濃度僅為32.7%，封孔長度不能滿足瓦斯抽放要求。

3）鉆孔施工量大：傳統瓦斯抽放法個鉆場布置10個鉆孔，單孔長度為120m，允許掘進距離為90m，整條巷道共需布置20個鉆場，鉆孔總長度為36000m，鉆孔施工量大，而且每個鉆場抽放時間為10d，嚴重影響巷道掘進效率，前期施工巷道平均掘進量僅為3m/d。

3 水力沖孔造穴技術應用

為了提高抽放鉆孔瓦斯抽放率，減少鉆孔施工工程量，新元礦通風部決定對31004輔助進風巷采用水力沖孔造穴技術進行瓦斯預抽。

3.1 水力沖孔造穴原理

水力造穴技術是依靠高壓水的沖擊力，造成煤體破碎，形成孔洞；在排出大量煤渣的同時，釋放大量的瓦斯，鉆孔周圍煤體出現蠕變損傷、沿孔洞發生徑向移動，導致鉆孔影響范圍內煤體應力降低，煤層孔隙張開、裂隙貫通，大幅度增高煤層透氣性，如圖1所示。

圖1 水力造穴增透瓦斯流動概念模型

3.2 水力造穴裝備

1）水力造穴一體化裝備：造穴鉆機選用河南鐵福來公司生產的ZDY4500LXY型煤礦用履帶式液壓鉆機，配套裝備有BQWL200/31.5型高壓清水泵站、Φ73mm三棱高壓密封鉆桿、Φ94mm鉆頭、送水裝置、耐高壓動密封旋轉接頭、打鉆三防裝置、高低壓水射流轉換裝置以及新景公司自制的移動式排水倉。

2）瓦斯抽采裝備：采用安泰華封孔材料及PKJW-63型封孔器聯合進行封孔，封孔管采用Φ63mmPVC管；采用單孔放水器，每個鉆孔孔口安裝FC-2型自動放水裝置；支管路采用Φ250mm鐵管，接口采用標準法蘭連接，并安裝孔板及鄭州光力科技CGWZ-100（A）管道瓦斯氣體綜合參數測定儀；單孔采用Φ63mm高壓膠體管連接，并安設單孔抽采觀測導流裝置。

3.3 水力沖孔造穴施工工藝

1）通過技術研究31004輔助進風巷掘進工作面布置5個水力造穴鉆孔（1#-5#）,鉆孔布置在距頂板1.0m處，鉆孔直徑為45mm，造穴孔直徑為600mm，造穴長度為2.0m，如圖2所示。

圖2 341004輔助進風巷水力造穴造孔平、剖面示意圖

2）1#、5#鉆孔深度為50m，水平夾角為18°，鉆孔內施工3個造穴孔，分別施工在15m、30m、45m處；2#、4#鉆孔深度為96m，水平夾角為9°，鉆孔內施工4個造穴孔，分別施工在20m、40m、60m、80m處；5#鉆孔深度為120m，水平角度為0°，鉆孔內施工 5個造穴孔，分別施工在 30m、50m、70m、90m、110m處；每個鉆場鉆孔控制巷道幫距為15m，巷道允許掘進距離為100m。

3）鉆孔造穴施工期間造穴水壓為18MPa，造穴時間為30min，造穴后及時清理鉆孔內煤屑。

3.3 封孔工藝

為了提高鉆孔封孔質量，新元礦通過實驗鉆孔鉆進煤屑量法確定鉆孔封孔深度，并采用囊袋式封孔工藝。

1）首先在工作面迎頭施工6個實驗鉆孔，通過對實驗鉆孔產生煤屑量觀察發現，在鉆孔10m-16m范圍內鉆孔煤屑成遞增趨勢，在15m-16m范圍內煤屑量達到最大值，如圖3所示，由此可見掘進工作面煤體原始應力區至少在順槽鉆孔施工煤壁往里16m以外區域。所以最終確定封孔深度為18m，封孔長度為9-18m。

2）水力造穴鉆孔施工完后進行擴孔擴孔深度為18m，直徑為150mm，擴孔后及時清理鉆孔內煤屑并安裝直徑為63mm，長度為3.0m的PVC封孔管，管與管之間采用絲扣連接，如圖4所示。

圖3 31004輔助進風巷工作面鉆孔鉆屑量與鉆孔深度變化關系示意圖

（1）在9m及16m處分別安裝PKJW-63型封孔器，待封孔器安裝后在其中間注射安泰華封孔材料，注漿壓力不得低于5MPa。

3）待鉆孔封孔5h后及時與瓦斯抽放管路對接，進行瓦斯預抽，每個鉆場瓦斯抽放時間為5d。

圖4 31004輔助進風巷工作面囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔示意圖

4 應用效果分析

新元礦31004輔助進風巷后期掘進期間采用水力沖孔造穴技術進行掘進煤層瓦斯預抽后，主要取得了一下顯著成效：

1）采用水力沖孔造穴技術后，造穴孔充分釋放了煤層中地應力，提高了煤體透氣系數，降低了鉆孔塌孔現象，使鉆孔成孔率提高至90%以上。

2）通過水力沖孔造穴技術應用三個月對效果檢測發現，煤層瓦斯抽放效率提高至67%以上，單孔抽采純量在0.238～1.145m3/min之間，平均0.74m3/min，單循環日抽采純量在378～1420m3之間，平均793m3。瓦斯抽采后煤層瓦斯含量可降低2～4m3/t。

3）采用囊袋式封孔工藝，有效提高鉆孔封孔質量，解決了傳統鉆孔封孔工藝效果差、漏氣量大，鉆孔抽采濃度低等技術難題，采用該技術封孔后對鉆孔抽放濃度發現，單孔抽采濃度提高至87%以上。

4）采用水力沖孔造穴技術時每個鉆場布置5個鉆孔，長度為400m，整條巷道需布置26個鉆場，鉆孔總長度為10200m，與傳統施工工藝相比，大大降低了鉆孔施工工程量，而且每個鉆場抽放時間縮短至5d，有效提高了巷道掘進效率，在后期掘進過程中平均掘進工程量達8.9m/d。

5 結束語

山西新元煤炭有限責任公司通過技術研究，對31004輔助進風巷掘進期間傳統瓦斯抽放方法存在問題進行合理分析，并提出水力沖孔造穴技術及囊袋式封孔工藝，實踐證明，采取有效的抽采方法及封孔工藝后，提高了煤層瓦斯抽放效率，及單孔瓦斯抽放濃度，保證了煤層增透效果，降低了突出危險性，同時有效提高了巷道掘進效率，取得了顯著成效。