水力沖孔在突出礦井的應用研究

黃友金 趙鵬濤 覃佐亞

（湖南省煤炭科學研究院有限公司，湖南 長沙 410004）

1 前言

坦家沖煤礦設計生產能力30萬t/a，核定生產能力15萬t/a，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井所采6煤層為突出煤層，煤層走向大致南北，平均傾角25°，傾向東，平均煤厚5.49m，結構簡單。6煤層瓦斯基本參數：煤層瓦斯含量18.38m3/t，煤層瓦斯壓力1.62MPa，煤層透氣性系數為0.002242～0.037755m2/MPa2·d，屬典型的松軟、低透氣性以及高突煤層。礦井采取常規的穿層鉆孔預抽煤層的區域防突措施，由于低透氣性，抽采瓦斯濃度不高，抽采效果不佳，影響礦井的“抽采掘”部署。為了提高煤層透氣性和抽采效果，實現“抽采掘”平衡，達到消突的目的，礦井擬在24采區-80m水平的南底板巷進行水力沖孔試驗。

2 穿層水力沖孔技術原理及工藝

2.1 原理

穿層水力沖孔的實施措施：在煤層底板的抽采巷中，利用煤層底板作為安全保障，由抽采巷向煤層施工抽采鉆孔，利用高壓水射流的作用，將原有的鉆孔煤孔段的空間擴大，在這個過程中會排出原有鉆孔數倍的煤量以及瓦斯。由于水力沖孔對煤孔段造成的破壞以及導致的應力集中會在孔洞產生卸壓區，使得孔洞的滲透性大大地提高，從而增強了孔洞的卸壓增透效果，快速實現消突的目的[1]。

2.2 工藝流程

水力沖孔的工藝流程為：利用液壓鉆機施工至煤層頂板后，停止進鉆。先檢查管路連接密封，方式為向管路加大壓力，即將管路連接至高壓水泵，關閉高壓膠管與分水器連接處的球閥，啟動高壓水泵，將泵的壓力逐步提高至20MPa，觀察管路1～2min，看管路是否有滲漏現象，如有滲漏現象，需要立即關閉高壓水泵，進行處理，直至無滲漏現象時，將泵的壓力逐步降至0MPa，關閉高壓水泵。打開高壓膠管與分水器之間的球閥，重新開啟高壓水泵，調節壓力閥，將壓力逐步提高至一定值（不宜過大），開啟鉆機。此時只需要轉動鉆桿直到鉆孔口有水流出，待有煤巖渣從孔口流出來時，調節壓力閥，逐步提高壓力至一定值（要大于煤體的抗剪強度），保持這個壓力進行沖孔。待完成一個鉆桿后，準備卸鉆桿時，將高壓泵的壓力調至0MPa，關閉球閥，取下鉆桿，重新將分水器與鉆桿連接上，重復沖孔步驟，直至沖孔結束。沖孔結束后，立即進行兩堵一注囊袋式封孔，待封孔結束后，進行連管接抽。水力沖孔的示意圖如圖1所示。

圖1 水力沖孔工藝示意圖

3 工程實踐

3.1 水力沖孔的參數確定

水力沖孔主要利用高壓水射流的作用對煤體進行破壞，排出更多煤渣，形成更大的孔徑。在施工過程中，由于高壓水的沖擊作用破壞了煤體，使得原來整體結構的煤體發生了移動，并隨著水流排出。此時，煤孔段的空間變大，煤體發生變形，周圍的裂隙也增大，從而使得煤體卸壓充分，煤層的透氣性也得到提高。而要達到沖孔的效果，必須使煤體受到破壞，即沖孔壓力必須大于煤體的抗剪強度。因此，在進行沖孔前，必須確定合適的沖孔壓力。

水力沖孔是以高壓水射流的動壓作用在煤體上，由于沖擊的作用，使得煤體內部形成與沖擊力大小一樣的內應力，當內應力逐步超過煤體的極限抗剪強度時，煤體的平衡狀態被打破，煤體發生破壞，重新進行應力分布，直至平衡。有研究表明，煤的極限抗剪強度σc與煤的堅固性系數f存在以下關系[2]：

式中：

σ-抗剪強度系數。

通過不斷地試驗研究，最佳的沖孔壓力為20f[3]。根據實驗室取樣檢測的結果，坦家沖煤礦6煤層的普氏系數為0.17～0.31，從而煤樣的抗剪強度大致為3.4～6.2MPa。考慮到高壓水射流在管路中的降壓作用，因此，確定坦家沖煤礦水力沖孔措施的沖孔壓力為7MPa。

3.2 施工方案的設計

本次試驗的地點選在246-80m南底板巷。共設計2組鉆孔，每組鉆孔設計5個鉆孔，其中第1組為水力沖孔鉆孔，編號分別為1-1#、1-2#、……1-5#，第2組為普通鉆孔，編號分別為2-1#、2-2#、……2-5#。其中，水力沖孔鉆孔與普通鉆孔相對應的方位角、傾角以及開孔高度相同。為了防止水力沖孔與普通鉆孔的相互影響，兩組孔的間距定為20m。

4 水力沖孔的效果考察

對于水力沖孔效果的考察，主要包括兩個方面：一是水力沖孔擴孔效應考察，另一個是瓦斯抽采效果的考察。

4.1 水力沖孔擴孔效應考察

實施水力沖孔措施時，煤孔段在原有的基礎上又沖出大量的煤體，煤孔段孔洞的大小與煤層的增透效果有直接的關系。根據研究可以確定的是，該孔洞的空間越大，孔洞的煤層增透效果就越好。將該孔洞的直徑定義為水力沖孔的等效直徑ds，根據研究表明，其值可以通過以下公式進行確定[4]：

式中：

m-該孔實施水力沖孔措施時沖出的煤量，t；

γ-煤的視密度，根據實驗室檢測的結果，坦家沖煤礦的視密度為1.53t/m3；

d0-鉆孔直徑，0.075m；

l-該煤孔段長度，m。

水力沖孔后的等效直徑與鉆孔直徑之間的比值定義為孔徑擴大系數k，即k=ds/d0，表征水力沖孔孔徑擴大效應。

根據打鉆時的觀測記錄可知，水力沖孔鉆孔與普通鉆孔相比，噴孔的現象更加明顯，從而表明水力沖孔大大加快了瓦斯釋放，達到卸壓的目的。記錄了各水力沖孔鉆孔的出煤量，根據公式（2）可以得到水力沖孔后的等效直徑，如表1所示。

表1 水力沖孔鉆孔擴孔效果表

從表1中可以得知，在水力沖孔后孔徑擴大至7～10倍，說明煤孔段的空間變大，煤孔段的裂隙得到進一步發育，瓦斯運移的阻力進一步減小，煤層的透氣性得到提高，從而能夠有效地提高瓦斯抽采效果。

4.2 瓦斯抽采效果考察

在水力沖孔鉆孔與普通鉆孔施工完成后，立即進行連管接抽。選用抽采濃度作為瓦斯抽采效果的對比指標，統計了30d內的瓦斯抽采濃度。各孔的抽采濃度平均值情況見表2，并選取其中兩個孔作比較，如圖2所示。

表2 各孔抽采濃度情況

根據表2與圖2可以看出，進行水力沖孔的鉆孔瓦斯抽采濃度明顯高于普通鉆孔。根據表2中具體數值可以看出，水力沖孔鉆孔的平均抽采濃度提高了2倍左右。根據圖2中的瓦斯抽采數據的變化趨勢可以看出，水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采濃度相對初始抽采濃度下降幅度較小，并且初始抽采濃度比普通鉆孔的高，這表明實施水力沖孔后，煤層的衰減系數減低，透氣性增加。

圖2 沖孔鉆孔與普通鉆孔抽采濃度對比圖

綜上所述，水力沖孔措施對瓦斯抽采效果明顯。

5 結論

（1）通過試驗考察，水力沖孔措施能夠沖出一定的煤量以及排出大量的瓦斯，使得煤層的透氣性增加，提高瓦斯抽采效果。

（2）通過對比實施水力沖孔措施的鉆孔與普通鉆孔的孔徑擴大效果與瓦斯抽采濃度可知，實施水力沖孔措施的鉆孔孔徑擴大至7～10倍，平均瓦斯抽采濃度提高了2倍左右，煤層的衰減系數減低，透氣性增加。