水力造穴技術在本煤層瓦斯抽采中的應用

吳艷波

（潞安集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

慈林山夏店煤礦主采的3#煤層瓦斯堅固性系數f 值為0.48~0.71，礦井瓦斯最大絕對涌出量為42.51m3/min，最大相對涌出量為13.99m3/t，透氣性系 數0.62276~0.77965m2MPa2?d， 百 米 鉆 孔 衰 減 瓦斯涌出強度0.061m3/min.hm，抽采半徑1.43m。屬于較難抽采-可以抽采煤層，3119 工作面瓦斯絕對涌出量6.5m3/min，瓦斯含量為10m3/t，瓦斯壓力為0.27MPa。礦井工作面瓦斯治理措施以順層鉆孔預抽煤層瓦斯為主，采用順層鉆孔對回采工作面進行預抽時，鉆孔施工量大，抽采效率低，導致抽采達標時間長。因此，為增加煤層透氣性，提高順層鉆孔抽采流量，快速降低煤體瓦斯含量，節約抽采達標時間，夏店煤礦在抽采過程中采用了水力造穴技術。

1 水力造穴技術原理

水力造穴主要利用高壓水力射流，通過對煤層進行擴孔造穴，增加煤體暴露面積，給煤層內部卸壓，為瓦斯釋放和流動創造良好的條件，洞穴周圍的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性。水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態，為瓦斯排放創造有利條件，既可削弱或消除突出的動力，起到防突作用，又提高煤層透氣性和瓦斯釋放能力，提高鉆孔抽采量。高壓水力射流技術原理是利用高低壓轉換造穴裝置內部活塞的移動來實現前端出水與噴頭出水。低壓水作用在活塞上，活塞不產生位移，水流通過該裝置從鉆頭前端流出，達到冷卻鉆頭和排渣的目的。高壓水作用在活塞上，活塞產生位移，前端通道被密封，水流在裝置內部形成高壓，從射流噴頭處噴射。高壓水經過射流噴頭后被再次加速，噴射出的高壓水流沖擊煤體，破壞煤層原有的狀態，使鉆孔周圍煤體脫落形成洞穴，煤層中儲存的瓦斯得以釋放并沿鉆孔排出，以達到提高瓦斯釋放效率的目的。高壓水射流沖擊破碎煤體概念模型如圖1 所示。

圖1 高壓水射流沖擊破碎煤體概念模型

2 水力造穴技術工藝

2.1 水力造穴技術設備

夏店煤礦在N101 工作面及3119 運巷里段進行水力造穴試驗，水力造穴設備由1 臺ZDY4500LXY煤礦履帶式液壓鉆機、一臺高壓BQWL200/31.5-XQ200/12 清水泵站、KFS-50/11 礦用振動篩式固液分離機、配套鉆具及其他附屬裝置等組成。

2.2 工藝流程

2.2.1 施工順序

開鉆前準備→固定鉆機→鉆進施工→水力造穴→退鉆→擴孔→封孔并網→移鉆機。

2.2.2 施工方案

在3119 工作面運巷里段預抽第一單元迎頭與第二單元迎頭分別布置兩排水力造穴鉆孔，共計9個（上排5 個，下排4 個）。鉆孔距底板1.3m、2.0m，距兩幫0.9m、1.7m，單孔深度300，造穴深度150m。上排孔每孔造穴22 個，下排孔每孔造穴21 個。N101 工作面及3119 工作面順層鉆孔布置（以3119 工作面為例）示意圖如圖2 所示，迎頭水力造穴示意圖如圖3 所示。第一個造穴孔距孔底3m，造穴長度1m，造穴間距5m，距孔口20m 位置停止造穴。夏店煤礦水力造穴鉆孔施工完成情況統計如表1 所示。

3 效果分析

3.1 迎頭水力造穴鉆孔抽采數據分析

工作面迎頭水力造穴鉆孔施工完成后進行并網抽采，在鉆孔與支管間安裝一套匯流管監控裝置連續對鉆孔抽采數據進行監測。通過對抽采數據進行分析得出：

（1）匯流管抽采濃度維持在30%~45%，基本無較大變化，至20d 后抽采濃度下降維持在30%~35%，無較大變化。瓦斯抽采濃度曲線如圖4所示。

（2）匯流管并網抽采初期流量逐步增大，由2.3m3/min 增大至4m3/min，并趨于穩定。

（3）匯流管并網抽采初期抽采量逐步增大，由1.02m3/min增大至1.6m3/min并趨于穩定，至20d 后抽采量減少至1.3m3/min 并趨于穩定。

（4）預抽42d 后生產期間工作面瓦斯涌出量和預抽前工作面瓦斯涌出量對比下降50%，煤體瓦斯含量下降1.68m3/t。

圖2 3119 工作面順層鉆孔布置示意圖

圖3 工作面迎頭水力造穴鉆孔示意圖

表1 夏店煤礦水力造穴鉆孔施工完成情況

圖4 3119 運巷里段水力造穴鉆孔濃度曲線圖

3.2 N101回巷水力造穴效果分析

（1）1#匯流管抽采濃度維持在85%~96%，基本無較大變化；2#匯流管剛開始單個鉆孔濃度為80%~95%，并網鉆孔逐漸增多后，抽采濃度下降維持在65%~75%，無較大變化。N101 工作面水力造穴鉆孔濃度曲線圖如圖5 所示。

圖5 N101 工作面水力造穴鉆孔濃度曲線圖

（2）1#匯流管并網抽采初期流量逐步增大，由0.02m3/min 增大至1.2m3/min，至10d 后流量減小至0.1m3/min 并趨于穩定；2#匯流管并網抽采初期流量逐步增大，由1.2m3/min 增大至1.9m3/min 并趨于穩定。

（3）1#匯流管并網抽采初期抽采量逐步增大，由0.02m3/min 增大至1.05m3/min，至10d 后流量減小至0.1m3/min 并趨于穩定；2#匯流管并網抽采初期抽采量逐步增大，由0.8m3/min 增大至1.3m3/min并趨于穩定。

4 結論

（1）采用水力造穴技術抽采一段時間后，工作面迎頭瓦斯抽采濃度穩定在30%~35%，抽采量穩定在1.3m3/min；工作面巷道抽采濃度穩定在65%~75%，1#匯流管并網抽采流量穩定在0.1m3/min，2#匯流管并網抽采流量穩定在1.9m3/min。

（2）工作面水力造穴鉆孔預抽時間為2 個月，預抽后生產期間工作面瓦斯涌出量和預抽前瓦斯涌出量對比下降50%，煤體瓦斯含量下降1.68m3/t。可知水力造穴技術能增加煤層透氣性，增加鉆孔內新暴露煤體抽采面積，降低煤體瓦斯含量，提高鉆孔抽采量，提高瓦斯抽采效率。