伏巖煤業(yè)3208運(yùn)輸巷水力沖孔卸壓增透技術(shù)研究

馬晉波

(山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán) 伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城 048105)

1 工程概況

山西陽(yáng)泰集團(tuán)伏巖煤礦3208工作面位于二采區(qū)東部，主采3號(hào)煤層，煤層厚度3.20～6.64 m，平均4.96 m，為井田穩(wěn)定可采煤層，平均含0～2層夾矸，煤層頂板為泥巖與砂巖，底板為泥巖，采用分層開采的方式，先進(jìn)行上分層回采，然后進(jìn)行下分層回采，上下分層工作面均采用綜采采煤工藝。

3208上分層運(yùn)輸巷沿煤層掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，高度為2.7 m，寬度為4.2 m，依據(jù)礦井3號(hào)煤層2017年的瓦斯鑒定結(jié)果可知，該煤層巷道進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為2.63 m3/min，針對(duì)3號(hào)煤層透氣性差、瓦斯抽放效果差的現(xiàn)狀，決定在3208運(yùn)輸巷開展水力沖孔造穴試驗(yàn)，以提高煤層透氣性，提高低透煤層瓦斯抽采效果，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，提高掘進(jìn)速度，消除煤層突出危險(xiǎn)性，保障采掘安全。

2 水力沖孔卸壓增透原理

現(xiàn)通過宏觀裂隙層面對(duì)水力沖孔的卸壓增透機(jī)理進(jìn)行具體分析，在煤體上打設(shè)鉆孔后，鉆孔的應(yīng)力分布情況如圖1所示，通過分析圖1可知，在鉆孔打設(shè)完畢后，鉆孔周圍的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)明顯的重新分布現(xiàn)象[1-2]，鉆孔周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中徑向應(yīng)力σr會(huì)逐漸減小至最小，σθ會(huì)隨著距離鉆孔距離的減小而逐漸增大到最大值。

水力沖孔卸壓增透技術(shù)其實(shí)質(zhì)即為采用高壓水的沖擊作用對(duì)煤層中原有打設(shè)的鉆孔進(jìn)行有效的擴(kuò)孔作業(yè)，進(jìn)而增大鉆孔在煤層段的孔徑，隨著鉆孔孔徑的逐漸增大，鉆孔周圍的應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步的集中，塑性區(qū)的范圍會(huì)更大[3-4]，進(jìn)而為瓦斯的滲流提供更多的通道，具體鉆孔周圍的應(yīng)力與滲透率之間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 彈性狀態(tài)下鉆孔周圍應(yīng)力分布

圖2 鉆孔周圍應(yīng)力與滲透率變化曲線示意

通過分析圖2可知，當(dāng)鉆孔周圍的應(yīng)力從原巖應(yīng)力區(qū)變化到彈性區(qū)時(shí)，鉆孔受到的主應(yīng)力差值會(huì)逐漸增大，原生裂隙也會(huì)逐漸閉合，進(jìn)而使得煤體的滲透率出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，在該階段鉆孔的應(yīng)力與其滲透率之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系；隨著鉆孔周圍煤體應(yīng)力水平的進(jìn)一步增大，當(dāng)鉆孔周圍受到的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)煤體已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，煤體內(nèi)的裂隙會(huì)逐漸產(chǎn)生和發(fā)育，并且在應(yīng)力作用下會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大與貫通，進(jìn)而有效形成應(yīng)力場(chǎng)，使得鉆孔周圍的滲透率出現(xiàn)快速增大的趨勢(shì)，且鉆孔滲透率的最大值出現(xiàn)在孔壁處，該處圍巖的滲透率遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力水平下的滲透率。

3 水力卸壓增透技術(shù)與效果分析

3.1 水力卸壓增透技術(shù)

3.1.1 水力沖孔設(shè)計(jì)

根據(jù)3208運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)水力沖孔共9個(gè)，分別為1～9號(hào)孔，水力沖孔造穴位置共計(jì)76個(gè)，具體各個(gè)水力沖孔的參數(shù)如表1所示，設(shè)計(jì)水力沖孔造穴鉆孔布置如圖3所示。

表1 各水力沖孔設(shè)計(jì)參數(shù)及位置

圖3 3208運(yùn)輸巷水力沖孔布置位置示意(m)

3208運(yùn)輸巷水力沖孔造穴的間距為10 m，在進(jìn)行具體施工作業(yè)時(shí)，由于受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響，具體施工作業(yè)時(shí)各個(gè)鉆孔的水力造穴的具體范圍如下：1號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為15～65 m，2號(hào)、4號(hào)和6號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為15～100 m， 3號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為20～100 m， 5號(hào)和7號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴深度為范圍為10～100 m，8號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為15～75 m，9號(hào)鉆孔的水力沖孔造穴的具體范圍為10～40 m。

3.1.2 水力沖孔系統(tǒng)

水力沖孔系統(tǒng)主要由水力沖孔鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、水力沖孔接頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、高壓管路等組成。水力沖孔鉆頭及氣渣分離器( 防噴裝置隨鉆機(jī)附帶)。水力沖孔系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 水力沖孔系統(tǒng)示意

具體水力沖孔系統(tǒng)中使用設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)如下：①鉆機(jī)選用ZDY2300LX煤礦用履帶式液壓鉆機(jī)，額定扭矩為800～2 300 N·m，額定轉(zhuǎn)速為60～170 r/min；②高壓密封鉆桿采用螺旋高壓密封鉆桿，其中鉆桿直徑為80 mm，耐壓強(qiáng)度為20 MPa；③水力沖孔接頭采用外徑為80 mm、長(zhǎng)度為400 mm、耐壓強(qiáng)度為20 MPa的接頭，使用該水力沖孔接頭實(shí)現(xiàn)低壓水鉆孔，高壓水沖孔造穴作業(yè)；④鉆頭采用開孔金剛石復(fù)合片鉆頭，直徑為94 mm；⑤高壓旋轉(zhuǎn)接頭的額定轉(zhuǎn)速為100 r/min，額定壓力為20 MPa，額定流量為200 L/min。

3.1.3 水力沖孔作業(yè)流程

1) 在3208運(yùn)輸巷內(nèi)距巷道底板高度約1.3 m處開孔，按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行鉆孔的施工作業(yè)，打鉆過程中的排渣作業(yè)通過螺旋高壓密封鉆桿的螺旋葉片實(shí)現(xiàn)；

2) 連接好各個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的配件與管路后，啟動(dòng)高壓注水泵，調(diào)整泵的壓力到18 MPa；

3) 確認(rèn)管路連接后，開啟鉆機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿(不鉆進(jìn))直到鉆孔口有水流出；

4) 進(jìn)行水力沖孔切割煤體(沖孔過程中，保持鉆桿正常轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速略小于正常鉆進(jìn)速度，以便充分切割煤體，退鉆時(shí)要轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿)；

5) 為增大沖孔效果，反復(fù)多次在設(shè)計(jì)造穴長(zhǎng)度范圍內(nèi)鉆、退本根鉆桿，進(jìn)行重復(fù)沖孔；

6) 重復(fù)上述步驟，直到按照設(shè)計(jì)位置沖孔完畢，進(jìn)行停泵、退鉆作業(yè)，退鉆完成后即完成單個(gè)鉆孔的水力沖孔作業(yè)，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)孔。

3.2 效果分析

為了考察3208運(yùn)輸巷水力沖孔卸壓增透技術(shù)效果，通過對(duì)3208運(yùn)輸巷未進(jìn)行水力沖孔鉆孔預(yù)抽情況及3208運(yùn)輸巷試驗(yàn)段采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)后瓦斯預(yù)抽的效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取未采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)的考察鉆孔4個(gè)，分別命名為考1～考4，對(duì)于采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)的鉆孔同樣選擇4個(gè)，分別命名為增1～增4，水力沖孔卸壓增透技術(shù)前后的瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 水力沖孔卸壓增透技術(shù)前后瓦斯抽采濃度曲線

由圖5能夠看出，在鉆孔未采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)時(shí)，4個(gè)考察孔的瓦斯抽采濃度基本集中在40%左右，當(dāng)鉆孔采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)后，試驗(yàn)段考察的4個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度基本均在80%左右，水力沖孔卸壓增透技術(shù)比未采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)的瓦斯抽采濃度提升了一倍，效果較為明顯。

為更全面分析水力沖孔卸壓增透技術(shù)對(duì)鉆孔瓦斯抽采效率的提升，同時(shí)對(duì)4個(gè)考察鉆孔和4個(gè)水力沖孔增透后鉆孔的瓦斯抽采純量進(jìn)行了有效監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

由圖6能夠看出，未采用水力沖孔增透的4個(gè)考察鉆孔其瓦斯抽采純量的平均值僅為0.18 m3/min，而采用水力沖孔增透技術(shù)的4個(gè)試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采純量的均值達(dá)到了0.33 m3/min，由此可知水力沖孔卸壓增透技術(shù)使得巷道瓦斯抽采的純流量提升了近一倍，水力沖孔增透效果顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)水力沖孔卸壓增透技術(shù)機(jī)理的分析，結(jié)合3208運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，對(duì)水力沖孔卸壓增透的試驗(yàn)方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，并對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果知，采用水力沖孔卸壓增透技術(shù)后的瓦斯抽采鉆孔與常規(guī)抽采鉆孔相比，其瓦斯抽采濃度與抽采純量均能夠提升1倍，水力卸壓增透效果顯著。

圖6 瓦斯抽采純量對(duì)比曲線