底位巷水力沖孔有效影響半徑考察及治理效果研究

胡金紅

（中國平煤神馬集團技術(shù)中心瓦斯研究所，河南平頂山 467000）

底位巷水力沖孔有效影響半徑考察及治理效果研究

胡金紅

（中國平煤神馬集團技術(shù)中心瓦斯研究所，河南平頂山 467000）

底位巷水力沖孔是以巖柱作為安全屏障，在上覆所保護的煤層中沖出一定量的煤體，形成一個孔徑較大的孔洞，其卸壓影響半徑比常規(guī)抽放鉆孔半徑要大幾倍。通過對首山一礦水力沖孔有效影響半徑及治理效果的考察，水力沖孔有效抽放半徑比常規(guī)抽放半徑增加了1.1倍以上，水力沖孔鉆孔單孔流量大幅度提高，相同時間內(nèi)瓦斯抽放量是未采取水力沖孔的抽放鉆孔瓦斯抽放量的4倍，水力沖孔瓦斯治理效果顯著，解決了常規(guī)穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的不足。

水力沖孔;影響半徑;治理效果

Effective Influence Radius of Hydraulic Flushing in Low-position Roadway and Methane Prevention Effect

水力沖孔是利用噴孔作用，人為控制噴孔強度的一種突出潛能可控釋放的方法，又叫鉆沖法。底位巷水力沖孔技術(shù)是以巖柱作為安全屏障，鉆沖時隨著鉆孔的前進，煤、水、瓦斯經(jīng)過孔道向孔外排出，同時鉆孔周圍煤體產(chǎn)生膨脹變形，鉆孔附近煤層頂?shù)装宓南嘞蛭灰?，促進煤層應(yīng)力降低。煤體膨脹變形致使煤層卸壓、裂隙增加、煤層透氣性增高，達到既消除了突出的動力，又有利于煤層中瓦斯的解析和排放，從而起到了在采掘作業(yè)時防止煤與瓦斯突出的作用。

1 工作面概況

平頂山礦區(qū)首山一礦為煤與瓦斯突出礦井，開采的己16－17煤層為突出煤層，煤層瓦斯壓力大、含量高、透氣性差、且無合適保護層開采，采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施。對己16－17煤層采用水力沖孔卸壓增透措施并輔以強抽采，是區(qū)域消突的必要手段。

試驗工作面己16－17－11041采面位于己一采區(qū)西翼上部，屬于突出危險工作面。

該采面設(shè)計走向長1333m，工作面長180m，工業(yè)儲量1.32Mt。采面機巷標高為:－588.8～－668.9m，煤層埋深687.8～828.9m，煤體原始瓦斯壓力 2.4～3.6MPa，原始瓦斯含量 14.8～20.5m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.146 m2/MPa2·d，堅固性系數(shù)f=0.12～0.35，機巷底位巷布置在己16－17煤層底板下方的巖體內(nèi)。

2 水力沖孔有效影響半徑確定及考察孔布置

本次水力沖孔有效影響半徑考察試驗采用流量法。水力沖孔流量法考察有效影響半徑主要依據(jù)高壓水射流影響到的煤體將大幅度的卸壓，使得鉆孔周圍形成一定的孔洞，煤體的裂隙將進一步地擴大，卸壓范圍內(nèi)煤層透氣性提高，鉆孔瓦斯?jié)舛仍龃?，瓦斯抽放量將大幅度上升，從而根?jù)沖孔前后鉆孔瓦斯抽放濃度的大小來判別高壓水射流的影響范圍，即沖孔有效半徑的距離，本次水力沖孔以見煤點距離為標準考察影響半徑。

在己16－17－11041機巷底位巷考察了3組水力沖孔影響半徑，被考察孔位置分別是水力沖孔第1組4號孔、第2組4號孔、第3組2號孔，其他鉆孔均為考察孔，被考察孔孔徑89mm。本次的考察孔與被考察孔均垂直于底抽巷道中線，即為平行孔。在被考察孔施工完成前后、沖孔過程中、沖孔后對每組考察孔進行流量測定。3組鉆孔在己16－17煤層見煤點的實際平面位置如圖1～圖3所示，3組實驗鉆孔參數(shù)如表1所示。

3 影響半徑現(xiàn)場考察

本次水力沖孔影響半徑考察試驗采用的沖孔順序為漸進式?jīng)_孔，水力沖孔水壓控制在5～6MPa，水射流流量在120～160L/min，孔內(nèi)出水、返渣正常?？疾熘械?組、第2組、第3組分別沖出煤量為10t，8t，5t，沖煤段長度為4m，3m，2m。煤體視密度為 1.4t/m3，考慮煤體遇水膨脹系數(shù)為1.13，換算為原煤體積分別為 6.3m3，5.1m3，3.2m3，計算相當(dāng)于將直徑為89mm的孔擴至直徑為1.2m左右的孔洞。

圖1 第1組水力沖孔見煤點平面圖

圖2 第2組水力沖孔見煤點平面圖

圖3 第3組水力沖孔見煤點平面圖

表1 水力沖孔半徑考察鉆孔參數(shù)

3.1 水力沖孔第1組4號孔半徑考察

經(jīng)過本組考察，考察孔流量提高的孔為見煤點距水力沖孔4.5m，5.4m，6m的3號、6號、J4號孔。3號孔沖孔前瓦斯?jié)舛葹?4.7%，瓦斯平均流量為14.3L/min，沖孔后瓦斯?jié)舛壬仙秊?0.4%，純流量上升為16.13L/min，是沖孔前瓦斯流量的1.13倍;6號孔沖孔前瓦斯?jié)舛葹?.8%，瓦斯純流量為0.58L/min，沖孔后瓦斯?jié)舛?、流量上升，孔?nèi)瓦斯?jié)舛?2.8%，是沖孔前的7.1倍，純流量為4.10L/min，是沖孔前的7.1倍;J4號孔沖孔前瓦斯?jié)舛葹?4.5%，瓦斯平均純流量為4.64L/ min，沖孔后瓦斯流量上升，最大為9.3L/min，是沖孔前瓦斯流量的2倍。通過第1組試驗，初步得出此次水力沖孔的有效影響半徑為6m。第1組考察孔瓦斯流量變化如圖4。

圖4 第1組考察孔瓦斯流量變化

3.2 水力沖孔第2組4號孔半徑考察

在本組考察的抽放孔中，經(jīng)水力沖孔后流量明顯提高的抽放孔有2個，分別為見煤點距水力沖孔9m，10.4m的4號孔、2號孔。

4號孔沖孔前瓦斯?jié)舛葹?4.8%，瓦斯平均流量為10.14L/min，沖孔后瓦斯?jié)舛?、流量上升，濃度?4.5%，瓦斯純流量為12.33L/min，是沖孔前瓦斯流量的1.22倍;2號孔沖孔前瓦斯?jié)舛葹?7.1%，瓦斯純流量為3.87L/min，沖孔后孔內(nèi)瓦斯抽放濃度為41.6%，是沖孔前2.43倍，抽放純流量為13.30L/min，是沖孔前的3.44倍。通過第2組試驗，水力沖孔的有效影響半徑擴大至10.4m。

距離較近的考察孔流量不但沒有上升，反而出現(xiàn)大幅度的下降，如第2組6號考察孔與被考察孔見煤點間距5.4m，沖孔前濃度80%，抽放純流量31.35L/min，沖孔后濃度急劇下降至6.8%，抽放純流量1.54L/min，6號孔距沖孔孔下幫5.4m，說明水力沖孔對此距離有較為嚴重的影響。沖孔時的高壓水在孔內(nèi)鄰近孔發(fā)生擠壓、滲透，使原本暢通的孔發(fā)生堵塞，這是距離近的考察孔瓦斯流量不但沒有提高，反而降低的主要原因。第2組考察孔瓦斯流量變化如圖5所示。

圖5 第2組考察孔瓦斯流量變化

3.3 水力沖孔第3組2號孔半徑考察

前2組實驗考察出的首山一礦水力沖孔半徑分別達到6m，10.4m，在此基礎(chǔ)上結(jié)合已測半徑參數(shù)，在第3組對水力沖孔半徑進行驗證與考察?？疾旆秶饕獮?～10m，考察孔為6個，分別為2，3，4，5，6，7號孔，間距分別為8.3m，1.9m，3.1m，4.9m，8.4m，10.6m，考察目的為最終得出合理的影響范圍。

經(jīng)過現(xiàn)場考察，水力沖孔后考察孔流量效果提高的抽放鉆孔有3個，分別為2，6，7號，沖孔前瓦斯?jié)舛确謩e為0、20%、3.2%;沖孔后瓦斯?jié)舛确謩e為26.5%、21%、18.8%。影響最大的是2號孔，沖孔前沒有濃度，沖孔后濃度大幅度提高;其次是7號孔沖孔后濃度是沖孔前的5.88倍;2，6，7號沖孔前流量分別為0，4.53L/min，0.73L/ min，沖孔后流量依序為 6L/min，4.75L/min，4.25L/min。2號由沖孔前沒有流量提高到6L/min，7號孔提高到?jīng)_孔前5.82倍。通過第3組試驗，水力沖孔的有效影響半徑擴大至10.6m。第3組考察孔瓦斯流量變化如圖6所示。

圖6 第3組考察孔瓦斯流量變化

通過對3組數(shù)據(jù)的考察，同時參考工程設(shè)計需要，可以初步確定首山一礦己16－17煤層水力沖孔半徑為6～10.6m?？紤]到安全需要，按考察半徑與實際半徑的關(guān)系公式R=0.71*r計算，水力沖孔影響半徑應(yīng)為4.2～7.5m之間。與常規(guī)抽放半徑2m相比，其影響半徑增加了1.1倍以上。

4 水力沖孔瓦斯治理效果

4.1 水力沖孔布置方式

依據(jù)前期現(xiàn)場實驗考察數(shù)據(jù)，設(shè)計11041機抽巷水力沖孔鉆孔，實施水力沖孔。鉆孔施工沿機抽巷每隔8m布置一排鉆孔，排與排之間鉆孔為平行鉆孔，每排施工6個鉆孔用于水力沖孔。開孔位置如圖7，鉆孔參數(shù)如表2所示。

圖7 11041機抽底巷水力沖孔鉆孔剖面

表2 水力沖孔鉆孔設(shè)計參數(shù)

4.2 沖孔前后抽采量效果考察

（1）單孔抽放量效果 沒有進行水力沖孔的穿層鉆孔封孔抽放10d內(nèi)的流量一般為10～20L/ min，10～30d一般為4～8L/min;單孔30d瓦斯抽放量389m3。水力沖孔鉆孔在經(jīng)過沖孔后連接管路抽放，其抽放流量在10d內(nèi)一般為50～65L/min，10～30d一般為15～25L/min之間，單孔30d瓦斯抽放量1566m3。流量、單孔抽放量均比未采取水力沖孔的穿層抽放孔有大幅提高，相同時間內(nèi)抽出瓦斯量是沒有沖孔鉆孔的4倍。

（2）巷道抽采總量效果考察 從2011年8月29號開始對11041機抽巷開始每間隔10m進行一次水力沖孔，沖孔超前距100m。通過水力沖孔，11041機巷單條巷道的瓦斯日抽放純量、月抽放純量明顯提高，機抽巷累計抽采瓦斯總量105526m3; 9月沒有進行水力沖孔的11041風(fēng)抽巷月累計抽采總量29492m3，11041機抽巷抽采量是沒有進行水力沖孔的風(fēng)抽巷的3.58倍。

4.3 沖孔前后瓦斯壓力和瓦斯含量考察

為更準確地掌握水力沖孔半徑內(nèi)抽放效果，對經(jīng)過水力沖孔后連續(xù)抽放60d的區(qū)域進行了瓦斯殘余含量測定，瓦斯含量由原始的19.6m3/t降低到10.81m3/t，繼續(xù)抽放60d后再次在該區(qū)域測定瓦斯含量，瓦斯含量降低到7.37m3/t。

5 結(jié)論

（1）考察的水力沖孔影響半徑4.2～7.5m比常規(guī)抽放半徑增加了1.1倍以上，有效減少穿層鉆孔數(shù)量。

（2）實施水力沖孔后，上覆煤層掘進條帶的瓦斯含量在經(jīng)過120d的預(yù)抽后，瓦斯含量可降低到7.37m3/t。

（3）水力沖孔措施使鉆孔周圍的煤體的應(yīng)力降低，周圍煤體得到不同程度的卸壓，使煤體的透氣性系數(shù)提高，增大了瓦斯抽采量，由于水射流濕潤煤體，使得煤體塑性發(fā)生改變，提高了防治煤與瓦斯突出的能力。

［1］劉明舉，孔留安，郝富昌，等.水力沖孔技術(shù)在嚴重突出煤層中的應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報.2005（4）:451－454.

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［3］孔留安，郝富昌，劉明舉，等.水力沖孔快速掘進技術(shù)［J］.煤礦安全，2005（12）:48－49.

［4］李家彪，劉明舉，趙發(fā)軍.水力沖孔在新義礦瓦斯抽放中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2011（7）:36－38.

［5］張明杰，滑俊杰，華敬濤.單一煤層底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯條帶區(qū)域防突技術(shù)［J］.煤礦安全，2011（6）.

TD713

B

1006-6225（2012）05-0078-03

2012－05－15

胡金紅 （1977－），女，河南泌陽人，工程師，從事瓦斯研究工作。

［責(zé)任編輯:李宏艷］