復雜地質條件低滲高突塊段底抽巷水力沖孔技術研究與應用

王永安

（鄭州煤炭工業（集團）鄭新煤業有限公司，河南 新密 452370）

0 引言

近年來，隨著礦井開采深度的遞增，煤層瓦斯含量和地應力也隨之增大，突出危險程度愈加嚴重，造成治理難度越來越大，治理技術更加復雜，治理成本不斷增加，嚴重影響和制約煤礦的安全生產。目前，主要通過預抽煤層瓦斯來達到區域消突的目的，但煤層的透氣性是制約預抽采的瓶頸［1-2］。為提高煤層透氣性，開采保護層、水力壓裂、CO2爆破、深孔爆破等卸壓增透技術被采用，但是這些技術措施在實用性、技術性等方面還存在著一定的不足［3-5］。

水力沖孔卸壓增透方面，相關學者進行了一定的研究。楊運峰等［6］采用巖石底板巷水力沖孔，大幅提高了煤層的透氣性。王新新等［7-8］研究了潘三礦13-1 煤層的水力沖孔消突效果，認為卸壓區域煤層瓦斯含量降低了近70%。劉明舉等［9］針對新安礦三軟煤層的賦存特點，研究并確定了適合三軟煤層賦存特點的水力沖孔方案，并取得很好的消突效果。王兆豐等［10］認為水力沖孔卸壓增透消突措施在松軟低透煤層中效果顯著。王凱等［11］研究了水力沖孔鉆孔附近的煤層透氣性的變化規律，認為煤層透氣性系數與距孔洞的距離呈負相關。許彥鵬等［12］模擬分析了水力沖孔的有效影響范圍，進而確定了相關沖孔參數。馮丹等［13］研制開發了水力沖孔物理模擬試驗系統，并分析了沖孔后的孔洞形態、等效半徑等。

水力沖孔是可以被直接應用的一種卸壓增透措施，具有施工工藝簡單、消突效果好、成本低、施工周期短等特點。通過鉆孔持續的鉆進，煤、水及瓦斯混合體能夠不斷向孔外噴出，鉆孔影響范圍內的地應力得以降低，孔隙裂隙增加，提高了煤層透氣性系數，鉆孔周圍瓦斯能夠被有效解吸和釋放，降低了鉆孔影響范圍內的瓦斯梯度，同時提高了煤體的強度和濕度，改變了煤體的物理力學性質，突出的危險性得以降低和消除［14-15］。

馬池煤礦11051 綜采工作面位于嚴重突出危險區內，該區域煤層發育不均勻，不具備保護層開采條件。具有低透氣性和易流變性特征，屬于低滲高突出塊段，煤體中的瓦斯得不到很好的釋放，導致抽采半徑小，鉆孔工程量大，成本高，工期長。為此，開展復雜地質條件低滲高突地區利用水力沖孔技術提高瓦斯預抽效果的研究很有必要，為礦井的防突工作提供技術保障，扭轉煤礦安全的被動局面。

1 試驗工作面概況

馬池煤礦位于白坪井田的西南部，行政隸屬登封市白坪鄉，主要開采二1煤層，開拓方式為立斜井聯合、單水平下山開拓方式。礦井布置有一主提升井、一副斜井和一回風井。11 采區的11051 綜采工作面位于井田西翼，專回下山以西，工作面走向長度663 m，煤層厚度為1.8～2.5 m，平均厚度為2.0 m，采用綜采支架放頂煤采煤工藝。煤層上部及下部各含夾矸一層，頂夾矸厚0.05～2.10 m，距煤層頂板0.45 m，底夾矸厚0.09 m，距底板0.91 m。礦井等級鑒定為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對涌出量6.25 m3/min，瓦斯相對涌出量9.01 m3/t。

2 水力沖孔影響半徑考察

2.1 壓降法現場考察

采用壓降法，對影響半徑進行現場實測考察。通過監測某個測試孔，瓦斯壓力比預抽前連續3 次降低10%及以上時，表明該鉆孔位置在水力沖孔的有效影響范圍之內。符合該條件的測試孔與水力沖孔之間的最遠距離，就認為是水力沖孔的有效影響半徑。

在掘進巷道的新鮮暴露煤壁處，依次施工2#、3#、4#、5#、6#、7#測試孔和1#水力沖孔，測試孔與1#沖力孔間距分別為5 m、6 m、7 m、7.5 m、8 m、9 m，終孔一個，封閉一個，所有鉆孔在每一個鉆孔封孔結束后，立即安裝壓力表測定瓦斯壓力。測試孔施工完畢后，待測孔壓力上升至穩定值后，將預抽鉆孔并入管網抽采。然后開始對1#孔施工水力沖孔，沖孔須沖至孔底，沖孔一段時間后，措施孔內不再有煤渣或返清水后停止沖孔。1#孔沖孔情況記錄詳見表1。布孔方式如圖1所示。

表1 1#考察孔水力沖孔記錄表

圖1 測試孔布置示意圖（單位：m）

由圖2 可知，在聯網抽采后，觀測孔整體壓力出現下降趨勢。2#觀測孔壓力衰減明顯，隨著抽采時間的延長，可能會出現負壓情況，2#測壓孔處完全處于卸壓范圍內。3#、4#鉆孔壓力值連續下降幅度均大于10%，說明3#、4#觀測孔均處在有效抽采半徑之內。5#壓力觀測孔抽采7 d后呈現平緩下降的趨勢，抽采11 d 后呈現快速下降幅度，鉆孔壓力值連續下降幅度亦均大于10%，亦認為在影響半徑之內。6#壓力觀測孔在抽采15 d 后出現壓力值下降現象，但鉆孔壓力值也呈現連續三次下降幅度大于10%的現象，表明6#壓力觀測孔處于有效抽采半徑邊緣范圍內。7#觀測孔初始瓦斯壓力為0.47 MPa，聯網抽采后瓦斯壓力幾乎無變化，可知7#孔處于有效半徑范圍之外；6#觀測孔雖然處在有效抽采半徑之內，但沖孔效果對其影響的程度已很小，可見6#測試孔仍處在有效抽采半徑邊緣范圍內。因此，結合數值模擬，可以確認水力沖孔平均沖出煤量為1.20 t/m、抽采時間為15 d 時，可將其抽采瓦斯的有效抽采半徑確定為8 m。

2.2 水力沖孔布孔方案

在11051 工作面底板巷鉆場布置水力沖孔鉆孔，其中2#鉆場共設計水力沖孔鉆孔11 個，在軌道順槽兩幫布置了5 個水力沖孔，剩下的6 個水力沖孔鉆孔，主要是為了消除軌道順槽輪廓線外15 m的范圍。鉆孔布置見圖3所示。

圖3 水力沖孔2#鉆場鉆孔布置平面圖

3 水力沖孔增透卸壓效果考察

3.1 水力沖孔增透效果

在2#鉆場設計布置了11 個水力沖孔鉆孔，沖出煤量159.5 t，最小孔7.5 t，最大孔27 t，平均每個孔14.5 t，有效卸除了172107 軌道順槽兩幫各15 m范圍內煤體的應力，使集中應力區向煤體深處推延，單孔沖出煤量如圖4所示。

圖4 單孔沖出煤量統計圖

圖5、圖6 給出了沖孔前后抽采濃度、抽采純量，對比可以發現，沖孔前平均抽采濃度為5.4%，沖孔后為54.6%，提高了10.1倍；沖孔前抽采濃度最小為1.6%，最大為8.4%，沖孔后抽采濃度最小為33%，最大為72%；沖孔前平均抽采純量為0.019 m3/min，沖孔后為0.094 m3/min，提高了4.9倍。

圖5 沖孔前后抽采濃度變化圖

圖6 沖孔前后抽采純量變化圖

3.2 水力沖孔消突效果

利用水力沖孔，部分煤、瓦斯被水沖出釋放，降低了鉆孔周圍的煤體應力，煤體得到不同程度的卸壓，使煤體的透氣性系數得到了極大的提高，提升了煤層瓦斯的自然釋放和負壓抽采效果。同時，由于水射流濕潤煤體，改變煤體物理力學性質，減弱和消除了煤與瓦斯突出發生的可能性。在底板巷選擇合適的位置，測定瓦斯含量和瓦斯壓力，來驗證沖孔效果。實測煤層殘余瓦斯壓力為0.24 MPa，煤層殘余瓦斯含量為5.84 m3/t，達到了消突效果。

4 結論

①利用壓降法現場進行實測考察，確定了水力沖孔的有效影響半徑，水力沖孔平均沖出煤量為1.20 t/m、抽采時間為15 d 時，抽采瓦斯的有效抽采半徑為8 m。

②采用底抽巷水力沖孔措施后，瓦斯抽采濃度由沖孔前的5.4%提高為54.6%，提高了10.1 倍；平均抽采純量由沖孔前的0.019 m3/min 提高到0.094 m3/min，提高了4.9 倍。實測煤層殘余瓦斯壓力為0.24 MPa，煤層殘余瓦斯含量為5.84 m3/t，達到消突的效果，確保了礦井的安全生產。