低透氣性煤層水力沖孔增透技術工藝優化分析

辛承鵬

（晉能控股煤業集團趙莊煤業，山西 長治 046600）

瓦斯作為煤炭的伴生物，不僅制約煤礦安全生產，同時可作為資源回收利用[1-2]。提升瓦斯抽采效率，可以緩解礦井采掘銜接，保障礦井安全，提升礦井經濟效益[3-4]。對于低透氣性煤層[5-6]來說，瓦斯抽采難度大，不易抽出，必須采取技術措施以提升煤層透氣性，從而提高瓦斯抽采效率。

1 工程概況

趙莊煤業位于山西省長治市，主采3 號煤層，煤厚4.6～6.05 m，平均厚5.2 m，平均傾角3°。煤層主要以粉煤為主，頂部為塊煤。煤層頂板為細砂巖和粉砂巖，底板為泥巖。該礦為高瓦斯礦井，根據井下瓦斯測定數據，結合地勘鉆孔測定，3 號煤層最大瓦斯含量22.88 m3/t，最小瓦斯含量4.69 m3/t。3 號煤層整體疏松破碎，屬于松軟低透氣性煤層，透氣性系數為0.010 4～0.048 9 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數0.107 5～0.113 2 d-1，屬于瓦斯抽采難度大的煤層，增大了礦井瓦斯治理難度，嚴重制約礦井安全高效生產。因此，增加煤層透氣性，提升礦井瓦斯抽采效率，方可解決礦井瓦斯治理難題。

2 煤層增透方法及存在問題

2.1 增透方法

趙莊煤業3 號煤層瓦斯含量高，透氣性差，為掩護巷道掘進和工作面開采，在煤層底板巖層內布置底抽巷道，對順槽巷道和工作面煤體瓦斯進行掘前和采前預抽，以降低煤層瓦斯含量，掩護順槽安全掘進和工作面安全開采。為提高底抽巷穿層抽采鉆孔的瓦斯抽采效果，對底抽巷穿層抽采鉆孔見煤區域進行水力沖孔增透。

（1）順槽巷道

在底抽巷向兩側順槽巷道各施工一組穿層抽采鉆孔，每組施工7 個穿層抽采鉆孔，按照孔底水平間距6 m 進行布置。在每組鉆孔中處于順槽巷道輪廓線內兩個鉆孔進行水力沖孔，鉆孔編號為3#和6#，如圖1。沖孔鉆孔見煤后，采用邊鉆進邊沖孔的工藝，每米沖孔出煤量不少于1 m3。

圖1 預抽順槽煤層沖孔鉆孔示意圖

（2）工作面中部沖孔

在工作面中部底抽巷兩側巷幫和頂板均施工穿層抽采鉆孔，兩側巷幫各施工8 個鉆孔，頂板施工3 個鉆孔，鉆孔孔底均位于煤層頂板，對煤層瓦斯進行預抽。同時，為增加煤層透氣性，對頂板中間2#鉆孔，兩幫2#、7#和8#鉆孔進行水力沖孔增透，鉆孔布置如圖2。從鉆孔見煤第1 m 開始，邊鉆進邊沖，每米沖孔出煤量不少于1 m3。

圖2 工作面中部煤層沖孔鉆孔示意圖

2.2 存在問題

以趙莊煤業1315 工作面為例，該工作面位于礦井一盤區，該區域煤體堅固性系數為0.52～0.61，平均0.58，該區域煤質相對較硬。在現場穿層抽采鉆孔施工過程中，鉆孔容易施工，但是出煤量小，成孔后瓦斯抽采濃度底。為提高穿層抽采鉆孔瓦斯抽采濃度，采用全面水力沖孔增透的方法，對需進行沖孔的鉆孔見煤范圍全部進行沖孔。但是，由于該區域煤體堅硬程度較高，沖孔難度大，水力沖孔的出煤量仍較小，全面沖孔效率低。同時，成孔后瓦斯抽采濃度沒有明顯改善，抽采效果仍不理想。

現場監測，未進行水力沖孔時，穿層鉆孔瓦斯抽采濃度大于等于40%的比重為51.5%，進行全面瓦斯沖孔時，穿層鉆孔瓦斯抽采濃度大于等于40%的比重為56.2%。兩種情況下，穿層鉆孔驗收合理率均較低，不利于煤層瓦斯治理。因此，需對煤層增透技術工藝進行優化。

3 水力沖孔技術工藝優化及效果分析

3.1 工藝優化

根據趙莊煤業3 號煤層物理性質可知，3 號煤層中存在軟煤分層的情況。結合目前趙莊煤業1315工作面底抽巷穿層抽采鉆孔的抽采效果，通過對兩者進行綜合分析認為，對于礦井3 號煤層堅硬程度整體較高的區域，采用鉆孔見煤范圍全面沖孔時施工效率低，應對煤層不同分層的堅硬程度進行測試分析，對軟煤分層進行定向沖孔增透，即采用“穿層抽采鉆孔+定點高壓水力沖孔”的模式（圖3），以提高水力沖孔施工效率。同時將以往的間隔沖孔的方式調整為每個穿層抽采鉆孔見軟煤區均進行沖孔，用以延長穿層抽采鉆孔的有效抽采時間，鉆孔之間避免抽采不均衡的問題。具體方法如下：

圖3 穿層鉆孔定點沖孔模型圖

（1）在3 號煤層整體堅硬程度較高的區域，間隔一定距離施工取芯鉆孔，對該區域煤層按照分層進行取芯，并對不同層位煤體的堅硬程度進行試驗測試，確定該區域煤層不同分層的煤體堅硬程度。

（2）選擇該區域煤層中較軟的煤分層，確定穿層抽采鉆孔見軟煤范圍，確定軟煤分層范圍后，在穿層抽采鉆孔施工該軟煤分層時，采用高壓水對軟煤分層進行水力沖孔，水壓由以往的18～20 MPa提升到25～28 MPa。

（3）按照底抽巷穿層抽采鉆孔的編號順序，逐個進行打鉆施工，并對其見軟煤區進行高壓水力沖孔。

3.2 效果分析

在1315工作面底抽巷穿層抽采鉆孔中，采用“穿層抽采鉆孔+定點高壓水力沖孔”的模式進行了施工，對成孔后穿層抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采時間進行全過程監測，對改進后的技術工藝進行考察。通過現場監測可知，按照鉆孔抽采瓦斯濃度大于等于40%判定，改進技術工藝后，穿層抽采鉆孔的驗收合格率得到明顯提升，達到77.8%，為未進行定向水力沖孔前的1.5 倍，同時穿層抽采鉆孔的有效抽采時間明顯增長。效果考察結果見表1。

表1 1315 底抽巷定點沖孔效果考察對比表

4 結語

對于低透氣性煤層來說，水力沖孔有利于提高煤層的透氣性，從而提升鉆孔瓦斯抽采效率，維護工作面安全生產。由于不同區域煤層性質不同，局部區域存在煤層較硬，全面水力沖孔效果不佳，應進行煤層分層探測，確定煤層中的軟煤區域，對軟煤層位采用定點高壓水力沖孔的方式，以提高水力沖孔施工效率；同時對全部鉆孔進行沖孔，延長穿層抽采鉆孔的有效抽采時間，避免鉆孔之間抽采不均衡的問題。