穿層鉆孔水力沖孔工藝優化與實踐

2021-04-09 07:38:06路東升

煤炭與化工 2021年2期

路東升

（河南永錦能源有限公司，河南許昌 461670）

0 引言

目前我國有許多礦井瓦斯抽采濃度低、抽采不達標，造成抽采盲區，給礦井安全生產埋下隱患[1]，在生產過程中，極易導致煤與瓦斯突出事故，瓦斯災害威脅嚴重，三軟煤層瓦斯突出礦井普遍采用密集孔高負壓的工藝措施進行瓦斯抽采，但抽采效果不理想，一方面，三軟煤層的煤體透氣性差，瓦斯運移困難；另一方面三軟煤層的煤體松軟(f＜0.5)，塌孔堵孔現象嚴重，堵塞瓦斯運移通道[2]。通過對穿層鉆孔的設計進行優化，達到提高抽放濃度和抽采量的目的，實現抽采達標。

1 概況

根據河南省地層區劃，禹州煤田位于華北板塊南緣嵩箕構造區汝陽—確山小區之禹州煤田景家洼向斜北翼西段。云蓋山煤礦一礦位于禹州煤田西部，主要開采二1煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，地質條件復雜，煤層賦存不穩定，煤層透氣性系數為0.435 m2/（MPa2·d），衰減系數為 0.02 ～ 0.11 d-1，堅固性系數f≤0.37，屬“兩軟一硬”煤層，煤巷掘進區域采取穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯煤層瓦斯的方法并配合水力沖孔卸壓增透措施。

2 穿層鉆孔施工現狀及優化方案

22206 運輸順槽采取在22206 底抽巷施工穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯的措施，根據河南理工大學測定的水力沖孔抽放半徑每米煤段沖出煤量1 m3，3 個月抽放半徑為10 m，穿層鉆孔按照組間距8 m 進行布置，每組鉆孔6 ～9 個，對瓦斯原始壓力≥0.6 MPa 或瓦斯含量≥6 m3/t 的區域適當縮小鉆孔組間距，補充6 個加密鉆孔，為了不影響正常的措施鉆孔，此次對加密鉆孔的DB48 組和DB49 組進行優化試驗，優化后的鉆孔1、3、5 的鉆孔見煤后采用壓風排渣，不進行水力沖孔，全程下篩管封孔（下稱試驗組）；2、4、6 號鉆孔進行水力沖孔，泄煤量為6 個鉆孔應沖煤量之和，與水力沖孔組DJ48組和DJ49 組（下稱對比組）進行抽采參數對比。

3 現場試驗和效果考察

3.1 鉆孔施工情況

在22206 底抽巷里程380 ～412 m 進行試驗，該區域相對煤層賦存較為穩定，煤厚2.5 ～3.3 m，平均煤厚3 m，最大原始瓦斯壓力0.3 MPa，原始瓦斯含量6.41 ～7.0 m3/t。試驗組和對比組的穿煤長度和實際沖孔沖出煤量統計見表1。試驗組由于只有2、4、6 號鉆孔進行水力沖孔，整組沖出的煤量均減少了2.5 m3。試驗鉆孔布置示意如圖1 所示。

表1 對比組與試驗組水力沖孔沖出煤量統計Table 1 Statistics of hydraulic punching of coal output between the comparison group and the test group

圖1 試驗鉆孔布置Fig.1 Arrangement of test boreholes

3.2 抽采參數對比

鉆孔采用打一個、封一個、開抽一個、觀測一個的方法，鉆孔測定初抽濃度后記錄在檔，全部施工結束后，進行初抽濃度對比。在試驗期間抽放負壓在18.6 ～23.4 kPa，波動較小，在數據觀測時間內，試驗組和對比組抽放負壓情況基本一致，不再進行負壓對比。

3.2.1 初始濃度對比

通過初始濃度對比，水力沖孔組的初始濃度均大于部分水力沖孔組，由于水力沖孔組全部水力沖孔后釋放大量高濃度瓦斯，水力沖孔組的初抽濃度最大98%，部分水力沖孔組的初抽濃度最大90%，水力沖孔組的初抽濃度最小68.4%，部分水力沖孔組的初抽濃度最小65%，水力沖孔組的初抽濃度略大于部分水力沖孔組（圖2）；水力沖孔組和部分水力沖孔組的最大初抽濃度均為92.4%，水力沖孔組最小初抽濃度54%，部分水力沖孔組的初抽濃度最小82%，水力沖孔組的初抽濃度略低于部分水力沖孔組（圖3）。

圖2 DJ48 組和DB48 組初始濃度對比Fig.2 Comparison of initial concentrations between DJ48 group and DB48 group

圖3 DJ49 組和DB49 組初始濃度對比Fig.3 Comparison of initial concentrations between DJ49 group and DB49 group

3.2.2 組抽放濃度對比

水力沖孔組最大抽放濃度50%，部分水力沖孔組最大抽放濃度38%，受水力沖孔的影響抽放濃度出現不穩定現象，且沒有明顯的變化規律（圖4）。水力沖孔組最大抽放濃度37.2%，部分水力沖孔組最大抽放濃度38%，抽放10 d 后，部分水力沖孔組的抽放濃度高于水力沖孔組，結合表1 進行分析，DJ49 組沖出煤量36.5 m3，DB49 組沖出煤量29.1 m3，疑DJ49 水力沖孔后，脫落的煤泥堵塞封孔花管，導致抽放濃度降低（圖5）。

圖4 DJ48 組和DB48 組抽放濃度對比Fig.4 Comparison of pumping concentration between DJ48 group and DB48 group

圖5 DJ49 組和DB49 組抽放濃度對比Fig.5 Comparison of pumping concentration between DJ49 group and DB49 group

3.2.3 組抽放流量對比

水力沖孔組最大混合流量0.3 m3/min，部分水力沖孔組最大混合流量0.34 m3/min，水力沖孔組混合流量均小于部分水力沖孔組，疑水力沖孔后，脫落的煤泥堵塞封孔花管，導致水力沖孔組的抽放流量較小（圖6）；水力沖孔組最大混合流量0.08 m3/min，部分水力沖孔組最大混合流量0.103 m3/min（圖7）。

圖6 DJ48 組和DB48 組混合流量對比Fig.6 Comparison of mixed traffic between DJ48 group and DB48 group

3.2.4 組抽放量對比

水力沖孔組單日最大抽采量216 m3，部分水力沖孔組單日最大抽采量88.1 m3，水力沖孔組水力沖孔后釋放大量的瓦斯，使抽放初期抽采量偏高，在抽放12 d 后，水力沖孔組的單日抽采量低于部分水力沖孔組，且下降后呈平穩趨勢，結合沖出煤量、抽放濃度及詢問現場人員等進行綜合分析，部分水力沖孔組在連抽期間，抽放管內部有粒狀物摩擦的聲音，證明部分水力沖孔組部分鉆孔抽放通道暢通，抽采量增加（圖8 ～圖9）。