1302工作面瓦斯抽采水力造穴增透技術試驗

郭孝星

（潞安集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長治 046100）

1 概述

潞安集團慈林山煤業有限公司李村煤礦礦井生產能力3.0 Mt/a，目前開采水平為+370 m，煤層平均埋深為560 m，目前回采煤層為二疊系下統山西組3#煤層，煤層平均厚度為4.76 m，平均傾角為4°，平均瓦斯含量為8.49 m3/t，屬于高瓦斯礦井。為了保證3#煤層安全回采，李村煤礦對3#煤層采取瓦斯抽采技術，以降低煤層瓦斯含量。主要采用本煤層鉆孔抽采、地面井抽采、高抽巷抽采、裂隙帶抽采及采空區埋管抽采等技術手段，其中以本煤層鉆孔預抽煤層瓦斯為主。

由于3#煤層瓦斯含量較高，且煤層結構復雜，具有透氣性低、煤質松軟等特點，在進行瓦斯抽采時鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.5639 d-1、透氣性系數為0.0997 m2/MPa2·d，堅固性系數處于0.41～0.45之間，且瓦斯吸附性強、解析速度慢，導致抽采鉆孔單孔抽采量低，抽采速度慢，屬于難抽采煤層。3#煤層瓦斯參數見表1。同時受煤層賦存及地質條件影響，瓦斯抽采鉆孔施工時成孔難度大，經常出現塌孔現象，鉆孔工程量大[1]，不僅延長了瓦斯抽采時間，而且瓦斯抽采效率低，瓦斯抽采純量低，嚴重影響了采掘工作面的安全生產。

表1 3#煤層瓦斯參數

2 本煤層瓦斯抽采存在主要的技術難題

1）成孔率低：以3#煤層2304順槽巷為例，2018年2月～4月，在長度570 m的巷道掘進過程中，共施工38個瓦斯抽采鉆孔。其中僅3個鉆孔達標，鉆孔成型好，深度為120 m；其它35個鉆孔成型差，且深度不足，平均深度為僅92 m，鉆孔平均深度僅為設計深度為73.4%，鉆孔成孔率不足6%，造成工作面附近大面積煤體未能進行有效瓦斯抽采[2]，影響3#煤層瓦斯抽采質量。

2）塌孔嚴重：由于地應力大，煤層結構復雜，煤質松軟，且構造復雜多變，鉆孔施工過程中鉆屑量遠超正常鉆屑量且成孔后極易塌孔。以三采區1#變電所本煤層鉆孔施工為例，部分鉆孔在鉆進30 m時就全部塌實，有的鉆孔即成即塌，導致無法正常下封孔管。

3）抽采濃度低、純量?。阂?302工作面為例，單孔抽采濃度50%以上鉆孔占比僅為2.3%，巷道支管濃度僅為1.4%，平均單孔純量僅為0.00031 m3/min。

3 水力造穴增透技術的應用

針對以上瓦斯抽采中存在的問題，為了提高3#煤層瓦斯抽采效率及鉆孔達標率，縮短單孔瓦斯抽采時間，在1302工作面進行水力造穴增透技術試驗。

1302工作面設計走向長度為1670 m，傾向長度為220 m，工作面采用兩巷一面布置方式，開采3#煤層，平均厚度為4.76 m，工作面采用綜合機械化一次采全高回采工藝。

3.1 水力造穴增透技術原理

（1）水力造穴增透技術主要利用專用設備及高壓水沖擊作用，使鉆孔附近煤體發生蠕變破壞，人為形成孔洞，從而使孔洞影響范圍內煤體應力降低、裂隙貫通、孔隙增大，同時在媒體內又產生新的裂隙空間，成為新的抽采通道，煤體吸附瓦斯快速轉化成游離瓦斯，從而提高煤體透氣性[3]。

圖1 水力造穴增透技術原理

3.2 水力造穴設備

李村煤礦采用的水力造穴設備主要包括ZDY4520LXY型煤礦移動式液壓鉆機、BQWL240/37.5型移動式高壓水泵站、增壓泵、震動篩、Φ73 mm三棱高壓密封鉆桿、鉆進沖孔一體化高壓水刀、煤水氣分離裝置、打鉆防噴裝置等。

3.3 水力造穴方案選擇

（1）前進式一體化造穴：鉆桿與水刀一起鉆進至起始造穴位置，停止鉆進，切換至高壓水開始造穴，造穴完成后進入下一個循環，直至打夠設計深度。采用該方式進行造穴施工時，不僅工序繁瑣，鉆孔施工周期長，而且受應力影響，經常出現卡鉆現象。

（2）后退式一體化造穴：鉆桿與水刀一起鉆進至設計深度，從孔底位置開始造穴，造穴完成后進入下個循環，直至退至造穴終止位置。通過施工試驗孔發現，采用后退式一體化造穴時，鉆孔施工至40 m時夾鉆嚴重，且伴隨有噴孔頂鉆現象，無法正常施工，鉆孔施工難度大。

（3）鉆造分離前進式造穴：該方案是先采用風水聯動方式進行鉆孔施工，待成孔后退出鉆桿，換下鉆頭，安裝水刀，重新將鉆桿送入造穴起始位置造穴，按照邊進邊造穴的方式完成鉆孔造穴工作。通過試驗鉆孔發現，采用該方式造穴時未出現卡鉆、鉆孔塌陷現象[4]。

通過對以上3種造穴方案分析，認為“鉆造分離前進式造穴”方式，為李村礦井水力造穴增透技術的最佳造穴方式。

3.4 施工工藝

（1）1302工作面從150 m處開始對3#煤層施工水力造穴鉆孔。井下鉆孔開孔位置位于1302回風順槽側距頂板1.5 m煤壁處。首先采用ZDY4500LXY型液壓鉆機配套Φ73 mm三棱高壓密封鉆桿進行普通鉆孔施工，鉆孔深度為82 m，鉆孔順煤層布置，見圖2。普通鉆孔施工到位后，及時清理鉆孔內煤屑，保證鉆孔成型效果好。

圖2 水力造穴施工平面

（2）普通鉆孔施工到位后，退出鉆桿，更換為鉆進沖孔一體化高壓水刀，并從鉆孔20 m處向孔底依次進行水力沖孔造穴，鉆穴孔長度為2.0 m，寬度為0.8 m，造穴水壓為18 MPa。第一個造穴鉆孔施工完后，及時清理煤屑，施工第二個造穴孔，相鄰兩個鉆穴孔間距為30 m。共計施工6個鉆穴鉆孔，見圖3。

（3）造穴鉆孔施工完后及時對鉆孔孔口處進行擴孔，擴孔直徑為108 mm，深度為17 m。擴孔后及時安裝直徑為63 mm PE管，共計6節，每節長度為3.0 m。

（4）孔口管安裝后，采用聚氨酯粘合劑進行封孔處理，確保鉆孔密封嚴實。封孔結束后，及時將鉆孔與抽采分支管路連接，并安裝導流管，在瓦斯抽采時保證孔口處抽采負壓不低于14 kPa。

圖3 水力造穴施工剖面

4 效果分析

1）提高自動化水平。采用一體化水力造穴設備施工時，高低壓水流自動轉化、煤水自動分離、整體設備自動化程度高，避免了傳統鉆孔施工時鉆場煤水橫流，巷道積水量大[5]，影響巷道質量標準化及勞動作業強度大的問題。

2）縮短了鉆孔施工時間。通過試驗證明，水力造穴鉆孔施工時間僅是普通鉆孔的72.23%。

3）提高了瓦斯抽采效率。水力造穴孔單孔平均瓦斯抽采純量為0.096 m3/min，而普通鉆孔單孔平均瓦斯抽采純量為0.013 m3/min。造穴孔平均單孔純量是普通孔的7.38倍。

4）減少了鉆孔數量。本次試驗中水力造穴鉆孔間距為30 m，基本能有效控制工作面瓦斯抽采范圍，與傳統瓦斯抽采技術相比，減少了工作面瓦斯鉆孔數量，降低了鉆孔施工成本費用。