穿層高壓水力沖孔造穴增透消突技術(shù)探討

趙建棟

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

對(duì)于煤與瓦斯突出礦井，大多數(shù)煤層存在低透氣性［1-2］。常規(guī)方法是采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，但是由于煤層透氣性差，導(dǎo)致瓦斯抽采量有限［3］。為了實(shí)現(xiàn)煤巷高效安全掘進(jìn)，在玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷進(jìn)行了穿層高壓水力沖孔造穴消突技術(shù)試驗(yàn)。

1 礦井概況

玉溪煤礦位于山西省晉城市西北部，沁水煤田腹地，井田面積26.147 km2。主要開(kāi)采3#煤層，可采儲(chǔ)量142.29 Mt，瓦斯資源豐富，資源總量為41.86億立方米，其中西北片區(qū)為瓦斯富集區(qū)。3#煤層煤塵無(wú)爆炸性，不易自燃。3#煤層最大原始瓦斯含量為18.32 m3/t，最大原始瓦斯壓力為1.42 MPa，瓦斯放散初速度指標(biāo)△P為25.2～27.8，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f在0.45～1.09之間。鄰近的胡底、寺河礦井西區(qū)3#煤層有突出危險(xiǎn)，故玉溪煤礦3#煤層需要進(jìn)行消突治理。

2 高壓水力沖孔造穴施鉆工藝

1）技術(shù)原理

將鉆機(jī)鉆進(jìn)技術(shù)與射流割縫沖孔技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，打鉆使用低壓水正常鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔穿透煤層后，將高壓射流裝置至于全煤段中，利用高壓水進(jìn)行全煤段沖孔造穴。在這一過(guò)程中會(huì)排出大量軟煤和瓦斯，在煤體中形成孔洞，產(chǎn)生卸壓區(qū)，從而提高卸壓效果。

2）施鉆工藝

整套設(shè)備包括ZDY4500LXY鉆機(jī)、高壓清水泵車(chē)、煤水分離機(jī)。鉆具包括螺旋高壓密封鉆桿、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、水力沖孔轉(zhuǎn)換接頭、鉆頭等。整套鉆具實(shí)現(xiàn)低壓水鉆孔，高壓水沖孔造穴。

首先正常施工鉆孔，鉆孔需穿出煤層0.5 m，通過(guò)數(shù)鉆桿的方式，記清楚煤孔段的長(zhǎng)度，鉆孔施工完畢后，將清水泵車(chē)出水壓力調(diào)至26 MPa，高壓射流裝置對(duì)全煤段進(jìn)行沖孔，鉆機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，鉆桿長(zhǎng)度為1 m，反復(fù)緩慢的推拉鉆桿，時(shí)間保持在2個(gè)小時(shí)，直至全煤段沖孔結(jié)束（見(jiàn)圖1）。

圖1 穿層鉆孔工藝

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔布置及效果分析

3.1 水力沖孔鉆孔布置

在中央輔助運(yùn)輸大巷800 m處，三聯(lián)巷以北，12#～13#鉆場(chǎng)之間，直接在巷道中向巷道東幫施工打設(shè)穿層鉆孔實(shí)施水力沖孔造穴，見(jiàn)圖2。中央輔助運(yùn)輸大巷為半圓拱形斷面，凈寬5.4 m，凈高4.3 m。共施工3個(gè)孔，其中1、3號(hào)孔進(jìn)行沖孔造穴，2號(hào)孔為普通抽采鉆孔，與造穴鉆孔進(jìn)行比較，分別對(duì)3個(gè)孔流量、負(fù)壓、濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2018年4月5日首先施工2號(hào)孔（未進(jìn)行造穴），4月6日4點(diǎn)班對(duì)1號(hào)孔進(jìn)行沖孔造穴，4月8日4點(diǎn)班對(duì)3號(hào)孔進(jìn)行沖孔造穴。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 沖孔造穴鉆孔布置

表1 測(cè)試孔沖孔造穴參數(shù)

3.2 水力沖孔效果分析

2號(hào)鉆孔瓦斯抽采工作于4月6日0點(diǎn)班施鉆結(jié)束開(kāi)始，截止4月17日8點(diǎn)班累計(jì)抽采瓦斯純量66.35 m3，平均瓦斯?jié)舛葹?.4%，抽放負(fù)壓為13.7 kPa，抽采混合量為0.16 m3/min，抽采純量為0.00384 m3/min。

1號(hào)鉆孔抽采工作于4月7日開(kāi)始，截止4月17日8點(diǎn)班累計(jì)抽采瓦斯純量475.2 m3，平均瓦斯?jié)舛葹?4.9%，抽采負(fù)壓為13.1 kPa，抽采混合量為0.23 m3/min，抽放純量為0.03 m3/min。

3號(hào)鉆孔抽采工作于4月9日0點(diǎn)班開(kāi)始，截止4月17日8點(diǎn)班累計(jì)抽采瓦斯純量777.6 m3，平均瓦斯?jié)舛葹?8.4%，抽采負(fù)壓為13.7 kPa，抽采混合量為0.23 m3/min，抽采純量為0.06 m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水力沖孔造穴試驗(yàn)情況分析，煤層頂板軟分層（距煤層頂板1 m）及煤層底板破碎煤層（距煤層底板2 m）位置，出煤量較大，煤層中部因煤層較硬沖孔造穴處出煤量基本無(wú)變化。

根據(jù)圖3、圖4分析可得，對(duì)比沖孔造穴鉆孔（1和3號(hào)孔）與未造穴鉆孔（2號(hào)孔），造穴鉆孔瓦斯抽采濃度、純量有明顯提高，1號(hào)孔抽采純量是2號(hào)孔的7.8倍，3號(hào)孔抽采純量是2號(hào)孔的15.6倍。同時(shí)，水力沖孔對(duì)煤層有一定程度卸壓作用。

圖3 中央輔運(yùn)大巷造穴鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比

圖4 中央輔運(yùn)大巷造穴鉆孔瓦斯抽采純量對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，水力沖孔造穴效果明顯，鉆孔抽采瓦斯量提高了7到15倍，沖出的軟煤達(dá)到2～2.5 t，使孔洞周?chē)后w得到不同程度的卸壓。因此，穿層高壓水力沖孔造穴技術(shù)對(duì)煤層瓦斯快速抽采和煤層卸壓消突可以起到顯著效果。