玉溪煤礦煤巷掘進(jìn)工作面增透瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

閆賀賀

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

玉溪煤礦1302工作面位于3號煤層一盤區(qū)，工作面開采3號煤層，煤層埋深500～600 m，煤層厚度5.12～7.20 m，平均厚度為5.85 m；煤層內(nèi)部含有一層夾矸，夾矸平均厚度為0.28 m，煤層底板巖層多為泥巖和中粒砂巖；1302工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面形式為矩形，巷道掘進(jìn)寬度×高度=5 700 mm×3 800 mm，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3號煤層瓦斯壓力為1.62 MPa，平均瓦斯含量13.56 m3/t，煤層屬于低滲透性可抽采煤層，現(xiàn)為解決3號煤層瓦斯難抽采，保障巷道掘進(jìn)期間的安全，特進(jìn)行掘進(jìn)工作面增透瓦斯抽采技術(shù)的分析研究。

2 水力沖孔造穴增透技術(shù)

2.1 增透原理

巷道掘進(jìn)期間通常采用的瓦斯抽采技術(shù)為普通順層瓦斯抽采，該類鉆孔的直徑一般在73～140 mm，且該類抽采鉆孔在施工時(shí)對周圍巖體的擾動(dòng)較小，對其周圍的煤體無法實(shí)現(xiàn)充分卸荷損傷的目的，因而無法實(shí)現(xiàn)較好的抽采效果。水力沖孔造穴增透的主要原理為在鉆孔施工過程中，通過高壓水沖出鉆孔中的局部煤量，以此在鉆孔周圍形成孔洞，為應(yīng)力作用下煤體的膨脹變形提供充足的空間，使鉆孔周圍煤體在應(yīng)力作用下達(dá)到充分卸壓的目的，增多煤層中的裂隙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增大煤層透氣性的目的，促進(jìn)煤層中瓦斯的解吸與排放，提高抽采效果[1-2]。

該項(xiàng)技術(shù)可通過順層鉆孔深入到掘進(jìn)工作面前方的煤體中，通過高壓水射流造出一系列圓柱狀的造穴硐室為周圍煤體瓦斯釋放提供充足的空間，以此實(shí)現(xiàn)抽采區(qū)域內(nèi)煤體的高效卸荷損傷及增透、增流的效果；采用該技術(shù)時(shí)若造穴長度過小時(shí)，容易在采動(dòng)影響下被重新壓實(shí)，若造穴長度過長時(shí)，易造成洞穴自身的穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)大范圍的塌孔現(xiàn)象，因此基于目前眾多理論研究成果確定造穴長度一般為1 m[3-4]；采用該技術(shù)時(shí)，在抽采鉆孔較小的區(qū)域可適當(dāng)增大造穴間距，在鉆孔間距較大的區(qū)域，可適當(dāng)縮短造穴間距，增加造穴數(shù)量，以達(dá)到增強(qiáng)瓦斯抽采效果的目的，具體順層水力造穴瓦斯抽采方式見圖1。

圖1 水力造穴瓦斯抽采技術(shù)示意圖

2.2 水力沖孔系統(tǒng)及工藝流程

水力沖孔系統(tǒng)主要由水箱、高壓泵、鉆機(jī)、鉆桿、接頭、分離器、氣渣分離器和高壓管路組成，見圖2。

圖2 水力沖孔系統(tǒng)示意圖

水力沖孔增透技術(shù)工藝流程如下：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)方案在固定位置進(jìn)行順層瓦斯抽采鉆孔的定位與打設(shè)，通過鉆桿的螺旋葉片進(jìn)行排渣，并將水力沖孔設(shè)備的接頭連接在1～2根鉆桿之間，持續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，直至鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度。

2）將高壓注水泵與高壓膠管連接，高壓膠管再連接螺旋高壓密封鉆桿，連接完成后開啟高壓泵，并將高壓泵的壓力調(diào)至設(shè)計(jì)值。

3）檢查高壓管路之間的連接密閉性，確認(rèn)完畢后，開啟鉆進(jìn)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿（不鉆進(jìn)）直到鉆孔口有水流出。

4）鉆機(jī)進(jìn)鉆作業(yè)，通過水力沖孔進(jìn)行煤體切割。

5）反復(fù)在造穴范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)鉆與退鉆作業(yè)，重復(fù)進(jìn)行水力沖孔，以確保沖孔效果。

6）重復(fù)步驟（2）-（4），直到鉆孔按設(shè)計(jì)沖孔完畢，關(guān)閉高壓泵，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿(不鉆進(jìn))，退出剩余鉆桿。

3 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采

3.1 水力沖孔造穴方案

基于水力沖孔造穴的原理，結(jié)合1302工作面運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，確定本次水力沖孔采用前進(jìn)式造穴工藝，水力沖孔壓力為18 MPa，設(shè)置打鉆循環(huán)距離為100 m，在方案實(shí)施后按照10.5‰的出煤率進(jìn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)。

造穴時(shí)按照與掘進(jìn)工作面距離的遠(yuǎn)近將掘進(jìn)頭前方100 m的范圍劃分為4個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方80～100 m范圍，設(shè)置該區(qū)域的造穴間距為5 m；Ⅱ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方60～80 m范圍，造穴間距為8 m；Ⅲ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方40～60 m范圍，造穴的間距為8 m；Ⅳ區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)頭前方20～40m范圍，造穴間距為14 m；設(shè)置水力造穴、瓦斯抽采循環(huán)長度為100 m，每個(gè)抽采循環(huán)內(nèi)的鉆孔工程量為730 m，每個(gè)循環(huán)內(nèi)的造穴數(shù)量為88個(gè)，且在造穴過程應(yīng)確保每個(gè)區(qū)域的出煤率均能夠達(dá)到10.5‰，具體造穴方案設(shè)計(jì)的出煤率見表1，造穴方案見圖3。

表1 水力沖孔造穴方案設(shè)計(jì)出煤率

3.2 瓦斯抽采技術(shù)

玉溪煤礦3號煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，采用先抽后掘的方法，解決掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大的問題，以提高巷道的掘進(jìn)速度，在1302運(yùn)輸順槽綜掘面向巷道前方及兩側(cè)布置鉆場施工抽采鉆孔，鉆場及掘進(jìn)面迎頭各布置10個(gè)鉆孔，鉆孔呈三花形雙排布置，鉆孔間距為0.5 m，長度為200 m[5-6]；橫川煤柱施工20～30個(gè)鉆孔，鉆孔呈三花形雙排布置，鉆孔間距為1～2 m，鉆孔深度為65 m，掘進(jìn)巷道至預(yù)定位置（留有20 m的超前距），再施工下一循環(huán)的鉆孔。抽采鉆孔布置見圖4。

圖4 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

3.3 效果分析

為驗(yàn)證分析水力沖孔增透瓦斯抽采技術(shù)的效果，在1302運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中，抽取第3循環(huán)和第8循環(huán)，即巷道掘進(jìn)400～600 m和1 400～1 600 m時(shí)進(jìn)行瓦斯抽采效果的監(jiān)測，巷道在第3循環(huán)瓦斯抽采時(shí)，僅采用普通的順層鉆孔抽采，在第8循環(huán)時(shí)，巷道掘進(jìn)工作面先采用水力沖孔造穴技術(shù)，隨后再采用順層鉆孔抽采技術(shù)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出采用水力沖孔增透技術(shù)后瓦斯抽采濃度和抽采純量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 水力沖孔增透后瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖

分析圖5可知，1302運(yùn)輸順槽在第3循環(huán)采用普通順層鉆孔進(jìn)行抽采作業(yè)時(shí)，由于普通順層鉆孔對煤體的卸載損傷作用較小，其平均抽采濃度僅為20%，平均抽采純量僅為0.40 m3/min，抽采濃度大于30%的高效抽采期僅有1 d；而在運(yùn)輸順槽采用水力沖孔造穴技術(shù)后，巷道在第8循環(huán)的平均抽采濃度為30%，提高了1.5倍，平均抽采純量為2.25 m3/min，提高了5.6倍，瓦斯抽采濃度大于30%的高效抽采期為10 d，提高了9倍；基于上述數(shù)據(jù)可知，掘進(jìn)工作面采用水力沖孔造穴增透技術(shù)后，大大增強(qiáng)了瓦斯抽采效率。

另外在1302運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面采用水力沖孔增透瓦斯抽采技術(shù)后，進(jìn)行殘余瓦斯含量和鉆屑解吸指標(biāo)的測試，根據(jù)測試結(jié)果得出，抽采方案實(shí)施后實(shí)測的煤層殘余瓦斯含量為6.865 5 m3/t，低于臨界值8 m3/t；鉆屑解吸指標(biāo)K1值為0.33 mL/g.min1/2，均小于臨界值0.4 mL/g.min 1/2，有效解決了掘進(jìn)工作面瓦斯含量高的問題。

4 結(jié)論

依據(jù)水力沖孔造穴增透技術(shù)原理，基于水力沖孔造穴系統(tǒng)工藝流程，結(jié)合1302運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，確定掘進(jìn)工作面水力沖孔造穴循環(huán)距離為100 m，每循環(huán)內(nèi)劃分為4個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行造穴間距的設(shè)計(jì)，并對順層瓦斯抽采鉆孔的布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)水力沖孔增透技術(shù)實(shí)施前后的監(jiān)測分析可知，水力沖孔造穴增透效果顯著，掘進(jìn)工作面抽采后瓦斯含量在合理范圍內(nèi)，保障了掘進(jìn)工作面的安全。