穿層高壓水力沖孔造穴增透消突技術探討

趙建棟

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

對于煤與瓦斯突出礦井，大多數煤層存在低透氣性［1-2］。常規方法是采用穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，但是由于煤層透氣性差，導致瓦斯抽采量有限［3］。為了實現煤巷高效安全掘進，在玉溪煤礦中央輔助運輸大巷進行了穿層高壓水力沖孔造穴消突技術試驗。

1 礦井概況

玉溪煤礦位于山西省晉城市西北部，沁水煤田腹地，井田面積26.147 km2。主要開采3#煤層，可采儲量142.29 Mt，瓦斯資源豐富，資源總量為41.86億立方米，其中西北片區為瓦斯富集區。3#煤層煤塵無爆炸性，不易自燃。3#煤層最大原始瓦斯含量為18.32 m3/t，最大原始瓦斯壓力為1.42 MPa，瓦斯放散初速度指標△P為25.2～27.8，煤的堅固性系數f在0.45～1.09之間。鄰近的胡底、寺河礦井西區3#煤層有突出危險，故玉溪煤礦3#煤層需要進行消突治理。

2 高壓水力沖孔造穴施鉆工藝

1）技術原理

將鉆機鉆進技術與射流割縫沖孔技術有機結合起來，打鉆使用低壓水正常鉆進，當鉆孔穿透煤層后，將高壓射流裝置至于全煤段中，利用高壓水進行全煤段沖孔造穴。在這一過程中會排出大量軟煤和瓦斯，在煤體中形成孔洞，產生卸壓區，從而提高卸壓效果。

2）施鉆工藝

整套設備包括ZDY4500LXY鉆機、高壓清水泵車、煤水分離機。鉆具包括螺旋高壓密封鉆桿、高壓旋轉接頭、水力沖孔轉換接頭、鉆頭等。整套鉆具實現低壓水鉆孔，高壓水沖孔造穴。

首先正常施工鉆孔，鉆孔需穿出煤層0.5 m，通過數鉆桿的方式，記清楚煤孔段的長度，鉆孔施工完畢后，將清水泵車出水壓力調至26 MPa，高壓射流裝置對全煤段進行沖孔，鉆機保持低速旋轉，鉆桿長度為1 m，反復緩慢的推拉鉆桿，時間保持在2個小時，直至全煤段沖孔結束（見圖1）。

圖1 穿層鉆孔工藝

3 現場試驗鉆孔布置及效果分析

3.1 水力沖孔鉆孔布置

在中央輔助運輸大巷800 m處，三聯巷以北，12#～13#鉆場之間，直接在巷道中向巷道東幫施工打設穿層鉆孔實施水力沖孔造穴，見圖2。中央輔助運輸大巷為半圓拱形斷面，凈寬5.4 m，凈高4.3 m。共施工3個孔，其中1、3號孔進行沖孔造穴，2號孔為普通抽采鉆孔，與造穴鉆孔進行比較，分別對3個孔流量、負壓、濃度進行監測。

2018年4月5日首先施工2號孔（未進行造穴），4月6日4點班對1號孔進行沖孔造穴，4月8日4點班對3號孔進行沖孔造穴。鉆孔參數見表1。

圖2 沖孔造穴鉆孔布置

表1 測試孔沖孔造穴參數

3.2 水力沖孔效果分析

2號鉆孔瓦斯抽采工作于4月6日0點班施鉆結束開始，截止4月17日8點班累計抽采瓦斯純量66.35 m3，平均瓦斯濃度為2.4%，抽放負壓為13.7 kPa，抽采混合量為0.16 m3/min，抽采純量為0.00384 m3/min。

1號鉆孔抽采工作于4月7日開始，截止4月17日8點班累計抽采瓦斯純量475.2 m3，平均瓦斯濃度為14.9%，抽采負壓為13.1 kPa，抽采混合量為0.23 m3/min，抽放純量為0.03 m3/min。

3號鉆孔抽采工作于4月9日0點班開始，截止4月17日8點班累計抽采瓦斯純量777.6 m3，平均瓦斯濃度為28.4%，抽采負壓為13.7 kPa，抽采混合量為0.23 m3/min，抽采純量為0.06 m3/min。

根據現場水力沖孔造穴試驗情況分析，煤層頂板軟分層（距煤層頂板1 m）及煤層底板破碎煤層（距煤層底板2 m）位置，出煤量較大，煤層中部因煤層較硬沖孔造穴處出煤量基本無變化。

根據圖3、圖4分析可得，對比沖孔造穴鉆孔（1和3號孔）與未造穴鉆孔（2號孔），造穴鉆孔瓦斯抽采濃度、純量有明顯提高，1號孔抽采純量是2號孔的7.8倍，3號孔抽采純量是2號孔的15.6倍。同時，水力沖孔對煤層有一定程度卸壓作用。

圖3 中央輔運大巷造穴鉆孔瓦斯抽采濃度對比

圖4 中央輔運大巷造穴鉆孔瓦斯抽采純量對比

4 結語

現場實測數據表明，水力沖孔造穴效果明顯，鉆孔抽采瓦斯量提高了7到15倍，沖出的軟煤達到2～2.5 t，使孔洞周圍煤體得到不同程度的卸壓。因此，穿層高壓水力沖孔造穴技術對煤層瓦斯快速抽采和煤層卸壓消突可以起到顯著效果。