松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術(shù)研究

程?hào)|全 孫 飛

（1.上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海市長(zhǎng)寧區(qū)，200052；2.河南永華能源有限公司，河南省洛陽市，471924）

松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術(shù)研究

程?hào)|全1孫 飛2

（1.上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海市長(zhǎng)寧區(qū)，200052；2.河南永華能源有限公司，河南省洛陽市，471924）

針對(duì)大多數(shù)開采單一松軟低透煤層時(shí)瓦斯治理面臨的困難，提出了松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔技術(shù)，闡述了該技術(shù)的原理，在偃龍煤田的二1煤層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明，從12041工作面上巷的實(shí)際抽放情況來看，瓦斯抽放濃度在15%～20%之間，工作面回風(fēng)流的瓦斯平均濃度從0.6%降到0.3%左右，并消除了工作面在放頂煤過程中出現(xiàn)的瞬間瓦斯超限現(xiàn)象。

松軟低透煤層 底板巖巷 水力沖孔 一孔三用

近年來，一些多煤層開采礦區(qū)利用保護(hù)層開采、臨近層抽放等技術(shù)，成功地解決了低透氣煤層的瓦斯抽放問題，礦井安全面貌大有改觀。而對(duì)于大多數(shù)單一松軟低透煤層的瓦斯治理由于打鉆困難，煤層透氣性低等原因，本煤層瓦斯抽放技術(shù)一直沒有大的突破，已經(jīng)成為世界性難題。實(shí)現(xiàn)在單一松軟低透煤層快速高效的抽放瓦斯，是礦井安全生產(chǎn)的迫切需要。

1 煤層底板巖巷水力沖孔工藝及機(jī)理

水力沖孔工藝是以煤層底板巖巷為屏障，在巖巷內(nèi)施工穿層鉆孔，然后用高壓水進(jìn)行水力沖孔，在松軟低透煤層中，人為地創(chuàng)造一個(gè)瓦斯釋放空間和通道，有效地提高抽放效果；當(dāng)瓦斯抽放達(dá)到目標(biāo)后，利用預(yù)抽鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行注水；工作面回采后，再次利用底板巖巷抽放鉆孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行抽放，實(shí)現(xiàn)一孔三用。

水力沖孔機(jī)理是從鉆孔中卸除大量的煤以后，由于鉆孔周邊的煤體向鉆孔位移和松動(dòng)，形成新的裂隙，從而大大增加煤層的透氣性，同時(shí)瓦斯壓力梯度降低，瓦斯大量解析，瓦斯抽放量成倍提高。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

偃龍煤田二1煤層頂板為6m厚的砂質(zhì)泥巖，質(zhì)地松軟極易垮落。煤層底板為0.3m的膠質(zhì)泥巖，其次是2～4m厚的泥質(zhì)頁(yè)巖，層理發(fā)育、易破碎，下部為厚4～6m質(zhì)地堅(jiān)硬的灰?guī)r。二1煤層機(jī)械強(qiáng)度低，硬度系數(shù)0.1～0.2，松軟易碎，多呈粉狀及小碎粒狀產(chǎn)出，是典型的松軟低透煤層。二1煤層在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出的特點(diǎn)是：煤質(zhì)松軟適合手鎬落煤，煤質(zhì)呈小顆粒或粉狀極易發(fā)生漏頂現(xiàn)象；煤層干燥，工作面粉塵大，巷道掘進(jìn)前煤層必須注水否則無法施工；巷道圍巖松軟壓力大，煤巷維護(hù)困難，掘進(jìn)施工過程中瓦斯涌出量大，掘進(jìn)工作面長(zhǎng)度超過30m時(shí)，僅靠風(fēng)排已不能解決瓦斯超限問題，月掘進(jìn)進(jìn)尺僅為30～40m。

3 底板巖巷水力沖孔瓦斯治理技術(shù)

3.1 底板巖巷及抽放鉆孔的布置

在煤層下部灰?guī)r內(nèi)按照回采工作面走向布置巖石集中巷，在底板巖巷向煤層打穿層鉆孔，見圖1。

在底板巖巷內(nèi)每間隔30m布置1個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置7個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔控制半徑不大于2.5m，鉆孔在煤層內(nèi)煤巷預(yù)掘位置呈線性布置。采用這種布置方式，可以對(duì)巖巷超前掘進(jìn)，為早日形成抽放鉆場(chǎng)創(chuàng)造條件，打鉆和煤層注水期間以巖層作為天然安全屏障，可保障施工期間安全，打鉆和煤層注水等措施工程在巖層內(nèi)進(jìn)行，對(duì)煤巷施工沒有影響。

3.2 水力沖孔效果

根據(jù)二1煤層煤質(zhì)松軟的特點(diǎn)，使用壓力水很容易將鉆孔擴(kuò)大，從而快速形成瓦斯解析空間，見圖2。使用壓力水進(jìn)行沖孔，在每個(gè)鉆孔內(nèi)沖出5～10礦車煤炭，沖孔后鉆孔內(nèi)瓦斯涌出量明顯加大，1個(gè)鉆孔瓦斯抽放量由原來的70～80m3／d猛增到920m3／d以上，效果十分明顯，見圖3?？梢钥闯?，采用水力沖孔措施，效果明顯，抽放量衰減的速度較快。這是由于煤層流變作用使沖孔后形成的空洞在3～7d時(shí)間內(nèi)由鉆孔周邊的煤體滑動(dòng)充填，瓦斯釋放的空間和通道再一次消失。通過對(duì)流變的煤層注水后，煤層達(dá)到了新的壓力平衡，由于注水后煤層粘結(jié)，再次透孔時(shí)鉆孔的保持時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，故抽放效果穩(wěn)定。

在沖孔過程中，沖孔空間有瓦斯涌出的鉆孔占總數(shù)的89%，有一部分鉆孔在沖孔過程中無法形成空間，但該類鉆孔對(duì)煤層起到充分的卸壓作用。沖孔效果見表1和表2。

表1 21021上巖巷2號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)

表2 21021下巖巷2號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)

3.3 沖孔后注水再次透孔

由表1和表2可知，鉆孔的有效抽放時(shí)間都很短，主要原因是沖孔后煤層的流變運(yùn)動(dòng)將鉆孔堵死，瓦斯涌出通道被截?cái)?，需要再次沖孔。因此，在第一次沖孔完成后，在鉆孔中穿入一根直徑50 mm花管，花管長(zhǎng)度大于煤層厚度（2m），利用鉆機(jī)送入到鉆孔終位置聯(lián)孔抽放。使單孔的抽放時(shí)間由原來的3～5d延長(zhǎng)到一個(gè)月以上。

在鉆孔瓦斯流量小于0.0005m2／min時(shí)，說明鉆孔中的花管眼已經(jīng)被煤堵死，此時(shí)向煤層鉆孔進(jìn)行高壓注水，注水壓力控制在15～18MPa之間，經(jīng)過16～36h時(shí)間，待臨近注水孔30m處的鉆孔開始滲水后注水停止。

3.4 施工方法

鉆孔施工采用西安煤科院生產(chǎn)的MK－3全液壓鉆機(jī)，在底板巖層內(nèi)采用風(fēng)動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)，進(jìn)入煤層后改用合金鉆頭鉆進(jìn)，并使用壓風(fēng)排粉。鉆孔穿煤層后將鉆頭拉回到煤層底板位置，接高壓水進(jìn)行沖孔，水壓為0.5～1MPa。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察表明，沖孔深度應(yīng)不超過3m，否則很難形成空間。沖出煤量以不超過10t為宜，否則，沖孔后很快就出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，影響瓦斯抽放效果。

3.5 鉆孔抽放半徑的確定

在通過多組鉆孔不同間距的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆孔間距為15～20m時(shí)有較好的抽放效果，故在保證有30d的抽放時(shí)間的前提下，確定鉆孔的抽放半徑為15m。

3.6 瓦斯抽放效果

從2月17日開始時(shí)用水力沖孔后，抽放效果明顯，1～3月份月抽放瓦斯量對(duì)比見圖4。

圖4 1～3月份月抽放瓦斯量對(duì)比

3.7 采空區(qū)抽放

工作面回采后，再次利用底板巖巷抽放鉆孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。當(dāng)回采工作面推過底板巖巷抽放鉆孔8～12m以后，利用鉆機(jī)對(duì)鉆孔進(jìn)行重新沖孔，使抽放鉆孔與采空區(qū)形成聯(lián)通空間，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放，此時(shí)，底板巖巷鉆孔處在回采工作面上隅角深部8～12m處，此處正是采空區(qū)瓦斯的集聚區(qū)域，采空區(qū)瓦斯抽放示意圖見圖5。

從工作面上巷的實(shí)際抽放情況來看，效果十分明顯，瓦斯抽放濃度在15%～20% 之間，工作面回風(fēng)流的瓦斯平均濃度從0.6%降到0.3%左右，消除了工作面在放頂煤過程中出現(xiàn)的瞬間瓦斯超限現(xiàn)象。

圖5 采空區(qū)瓦斯抽放示意圖

4 結(jié)束語

通過在底板巖巷布置鉆孔進(jìn)行水力沖孔，增加了松軟低透煤層瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤層實(shí)現(xiàn)低瓦斯施工。同時(shí)，利用抽放鉆孔進(jìn)行煤層注水和采空區(qū)抽放，實(shí)現(xiàn)了“一孔三用”，減少了施工工序。將在煤巷掘進(jìn)工作面實(shí)施的措施工程提前移到底板巖巷中進(jìn)行，不但保證了施工期間的安全，而且大幅提高了巷道的掘進(jìn)速度，工作面回采時(shí)，利用抽放鉆孔再次進(jìn)行抽放，最大限度地發(fā)揮措施工程的作用。

從永華二礦12041進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)情況看，煤層經(jīng)過卸壓預(yù)抽，瓦斯問題已基本不影響煤巷掘進(jìn)，煤巷掘進(jìn)速度明顯加快，每月掘進(jìn)度由不足40m提高到80～120m水平?；夭晒ぷ髅嫦送咚怪萍s產(chǎn)能的現(xiàn)象，月生產(chǎn)能力由1.5萬t增加到6.5萬t，增加年經(jīng)濟(jì)效益近億元。

［1］ 胡勝勇，周福寶，夏同強(qiáng)等.超前頂板卸壓消突技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（3）

［2］ 郭峰.低透氣突出煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（2）

Gas control of floor rock roadway in soft low permeability coal seam by hydraulic flushing

Cheng Dongquan1，Sun Fei2
（1.Antai College of Economics and Management，Shanghai Jiao Tong University，Changning，Shanghai 200052，China；2.Henan Yonghua Energy Co.，Ltd.，Luoyang，Henan 471924，China）

Aimed at the difficulties existed in the gas control during soft low permeability coal seam mining，the hydraulic flushing technology was proposed for the floor rock roadway in the soft low permeability coal seam，whose principle was described.Its application toⅡ1coal seam of Yanlong coalfield showed that the gas concentration was in the range of 15%～20%in the upward roadway at No.12041working face，while this value decreased from 0.6%to 0.3%in the return air at the working face.Moreover，the instant gas overrunning was avoided during top coal caving.

soft low permeability coal seam，floor rock roadway，hydraulic flushing，one borehole used for three purposes

TD712.62

A

程?hào)|全（1965－），男，河南永城人，博士后，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)楣?yīng)鏈管理和安全管理。

（責(zé)任編輯 梁子榮）