水力沖孔卸壓增透技術在高瓦斯礦井中的應用研究

馮 緯

（山西潞安化工集團，山西 長治 046000）

近年來，煤與瓦斯突出事故時有發生，嚴重制約了我國高瓦斯礦井安全高效生產[1-3]。瓦斯抽采技術是瓦斯災害防治的最為有效的措施，尤其在高瓦斯、松軟低透煤層瓦斯防治中的應用更為廣泛[4-6]。鑫源煤礦3#煤為典型高瓦斯、松軟低透難抽采煤層，為增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率，決定在2301工作面進行水力沖孔卸壓增透試驗，以期為3#煤瓦斯治理提供參數依據。

1 工程概況

鑫源煤礦2301工作面為3#煤二采區首采工作面，煤層均厚3.5 m，平均傾角5°。煤層直接頂為3.62 m厚的粉砂質泥巖，基本頂為5.3 m厚的中粒砂巖，直接底為4.8 m厚的粉砂質泥巖。工作面北鄰采區邊界，南為2303工作面（計劃開采），東為村莊保護煤柱，西為區段大巷，工作面布置情況見圖1所示。工作面煤層瓦斯含量為12.65 m3/t，絕對瓦斯涌出量為52.48 m3/min，透氣性系數為2.83×10-3m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯流量為0.02 m3/min，衰減系數為0.217 6 d-1，屬典型高瓦斯、松軟低透難抽采煤層。

圖1 2301工作面平面布置圖

2 水力沖孔卸壓增透原理

水力沖孔卸壓增透技術是有效增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率的措施之一[2]。水力沖孔系統主要由水力沖孔鉆頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、鉆機、高壓管路、防噴裝置等組成，如圖2所示，原理為：利用高壓泵將高壓水壓入煤巖體，使其荷載急劇增高[4]。裂縫弱面等原生微缺陷在高壓水作用下發育、擴展，形成相互交織的裂隙網絡，增加煤層透氣性，提高抽采效率的同時，增加了瓦斯流動的通道，加速了游離瓦斯的釋放和運移，使更多的吸附瓦斯轉變為游離瓦斯，提高了瓦斯涌出的強度和持續時間[5]。此外，大量滯留在煤體內的水充分潤濕了煤體，塑性增加，彈性潛能降低，繼而降低了煤體突出危險性。水力沖孔卸壓增透技術通過上述幾個方面達到給煤層卸壓增透的目的。

圖2 水力沖孔系統示意圖

3 水力沖孔技術現場應用

3.1 鉆孔布置方式及參數

結合鑫源煤礦生產實際，為了減少工程量、降低工人勞動強度、提高施工效率的同時增大煤層透氣性和瓦斯抽采效率，決定在2301回風順槽循環布置水力沖孔鉆孔和平行預抽鉆孔進行瓦斯抽采作業。具體布置方式為：在2301回風順槽1060 m處施工水力沖孔鉆孔S1，每隔5 m施工1個水力沖孔鉆孔，3個水力沖孔鉆孔編為1組；在水力沖孔鉆孔S3后5 m處施工平行預抽鉆孔S4，每隔5 m施工1個平行預抽鉆孔，3個平行預抽鉆孔編為1組；隨后按3個水力沖孔鉆孔與3個平行預抽鉆孔循環布置。鉆孔布置情況如圖3所示，鉆孔布置參數見表1。

表1 鉆孔布置參數表

圖3 鉆孔布置平面示意圖

3.2 沖孔設備及工藝

采用TMZX-25型鉆孔造穴一體化成套設備（由ZDY4500LXY煤礦用履帶式液壓鉆機、高壓密封鉆具、BQWL200/31.5L XQ200/12高壓清水泵、KFS-50/11礦用振動篩式固液分離機和高低壓水射流轉換裝置等組成）按照設計的孔徑、孔深和角度等分別施工水力造穴抽采鉆孔和平行預抽鉆孔。施工水力造穴抽采鉆孔過程中進行高壓水力沖孔造穴后，再封孔并網進行瓦斯抽采；平行預抽鉆孔成孔后直接封孔并網進行抽采，不進行水力沖孔施工。

4 水力沖孔效果考察

4.1 擴孔效果考察

煤孔段孔洞大小直接影響著煤層增透效果，實施水力沖孔增透措施后對水力沖孔擴孔效應進行考察是檢驗水力沖孔效果的主要指標之一[6]。將孔洞直徑定義為水力沖孔的等效直徑d，其值可根據式（1）進行計算[7]：

式中：m為該孔實施水力沖孔措施時沖出煤量，t；γ為煤的視密度，取1.52 t/m3；λ為該煤孔段長度，m；d0為鉆孔直徑，取0.094 m。

將水力沖孔后的等效直徑與鉆孔直徑間的比值定義為孔徑擴大系數k，即k=d/d0，用以表征水力沖孔孔徑擴大效應。實施水力沖孔后，鉆孔擴孔效果參數如表2所示。

由表2可知，水力沖孔后鉆孔孔徑較平行預抽鉆孔擴大約5～8倍。此外，現場打鉆施工觀測記錄表明，水力沖孔鉆孔相較于平行預抽鉆孔在施工過程中具有更為顯著的瓦斯噴空現象。由此可知，鉆孔在經過水力沖孔后，煤孔段裂隙更為發育，瓦斯運移阻力顯著減小，煤層增透效果得到明顯提高。

表2 水力沖孔鉆孔擴孔效果表

4.2 瓦斯抽采量考察

采用水力沖孔措施擴大瓦斯抽采鉆孔直徑以增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采量，因此對水力沖孔后瓦斯抽采效果進行考察是檢測水力沖孔效果的另一個重要指標[4]。為此，分別對2301回風順槽水力沖孔鉆孔和平行預抽鉆孔兩個月內的瓦斯抽采數據進行持續監測。瓦斯抽采數據如表3所示。

表3 抽采純量、抽采濃度表

由表3可知，水力沖孔鉆孔單孔抽采流量約0.1～0.4 m3/min，平均單孔抽采流量0.265 m3/min；平行預抽鉆孔的單孔抽采流量0.06～0.09 m3/min，平均單孔抽采流量0.075 m3/min。可見，水力沖孔后鉆孔平均單孔抽采流量增大約3.5倍。水力沖孔鉆孔的單孔抽采濃度約32%～68%，平均單孔抽采濃度為46.735%；而平行預抽鉆孔的單孔抽采濃度約6.50%～23%，平均單孔抽采濃度為13.975%。可見，水力沖孔后鉆孔平均單孔抽采濃度提高約3.3倍。綜上可知，水力沖孔后鉆孔瓦斯抽采量顯著提高。

5 結論

（1）基于水力沖孔卸壓增透原理和鑫源煤礦2301工作面生產實際，提出采用TMZX-25型煤礦用鉆孔造穴一體化成套設備在2301回風順槽實施水力沖孔卸壓增透措施，并對鉆孔布置參數進行了設計。

（2）水力沖孔效果考察結果表明：水力沖孔鉆孔孔徑擴大約5～8倍，平均單孔抽采流量增大約3.5倍，平均單孔抽采濃度提高約3.3倍。