路 璐

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

松軟煤層在陽(yáng)泉礦區(qū)開(kāi)采煤層中占比大，而松軟煤層煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度低，滲透性差，瓦斯壓力和瓦斯含量往往很高，鉆孔抽采是瓦斯治理的有效方法，但松軟低透氣性突出煤層抽采鉆孔施工困難制約了瓦斯抽采。因此，提出了鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術(shù)。

1 工作面概況

陽(yáng)泉煤業(yè)新景礦3#煤層掘進(jìn)工作面順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術(shù)在3215工作面的北九正巷、3216工作面的南九正巷和副巷、3107工作面的南五正巷和副巷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)見(jiàn)圖1. 這3個(gè)回采工作面的煤層堅(jiān)固性系數(shù)均在0.38～0.52，煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，有較大的突出危險(xiǎn)性。同時(shí)，煤層透氣性系數(shù)為0.018 8～0.137 7 m2/MPa2·d，瓦斯抽采十分困難，嚴(yán)重制約了巷道的掘進(jìn)和礦井的安全回采。

圖1 水力沖孔造穴技術(shù)試驗(yàn)地點(diǎn)圖

2 鉆沖一體化水力造穴工藝及方案設(shè)計(jì)

2.1 高壓水射流沖孔造穴原理

水射流的沖擊壓力作用由初始階段的水錘壓力降低到穩(wěn)定階段的滯止壓力，當(dāng)水射流作用力小于抗壓強(qiáng)度后，煤巖體破碎速度降低，水射流流體逐漸深入到煤巖體裂隙系統(tǒng)中，并沿裂隙向深處傳播[1]. 在裂紋尖端和表面附近微裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其裂隙張開(kāi)、擴(kuò)展和延伸，形成一個(gè)相互交織的裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，煤體分割造成煤巖體強(qiáng)度降低[2]. 水分浸潤(rùn)對(duì)煤巖體強(qiáng)度具有軟化作用，導(dǎo)致煤巖體顆粒脫落分離，在煤體中形成孔洞[3]. 水力沖孔造穴對(duì)煤體造成的損傷和應(yīng)力集中會(huì)在孔洞處產(chǎn)生卸壓區(qū)，使得該處滲透率得到大幅提高，從而提高卸壓增透效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)抽瓦斯和消突的目的[4].

2.2 水力造穴工藝

鉆沖一體化水力造穴技術(shù)的施工流程主要包括：

1) 順層鉆孔的施工。在巷道掘進(jìn)之前，首先打開(kāi)鉆沖兩用噴頭中的鉆進(jìn)噴頭，利用低壓水進(jìn)行鉆孔的鉆進(jìn)，見(jiàn)圖2a).

2) 后退式水力沖孔造穴。在順層鉆孔施工到設(shè)計(jì)深度之后，打開(kāi)兩用鉆頭上的造穴噴頭，利用高壓水射流進(jìn)行后退式水力沖孔造穴。開(kāi)始造穴時(shí)，將水泵壓力調(diào)節(jié)到18 MPa，鉆機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，緩慢前后推拉1 m范圍為1個(gè)造穴位置，造穴30 min. 造穴結(jié)束后，將水泵壓力調(diào)至4 MPa以下，再打鉆至下一擴(kuò)孔位置進(jìn)行第二次造穴，以此實(shí)現(xiàn)循環(huán)造穴，造穴間距5 m. 見(jiàn)圖2b).

3) 封孔及卸壓瓦斯抽采。在造穴結(jié)束后，采用“兩堵一注”的方法對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，并對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，見(jiàn)圖2c).

圖2 水力沖孔造穴瓦斯抽采工藝示意圖

2.3 施工方案設(shè)計(jì)

掘進(jìn)工作面順層鉆孔具有發(fā)散特性：隨著鉆孔的延伸，鉆孔間距逐漸增大。因此，掘進(jìn)工作面采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，為了保證掘進(jìn)頭前方煤體的順利消突，往往采用降低掘進(jìn)循環(huán)長(zhǎng)度，提高鉆孔布置密度等措施。這也造成掘進(jìn)工作面瓦斯治理成本高，巷道掘進(jìn)速度慢等問(wèn)題[5]. 鑒于此，在掘進(jìn)工作面順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術(shù)的施工過(guò)程中，充分考慮了鉆孔發(fā)散特性對(duì)瓦斯抽采所造成的影響，根據(jù)鉆孔間距的不同將掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采范圍劃分為3個(gè)不同的區(qū)域，見(jiàn)圖3. 在不同的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)不同的造穴間距，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的瓦斯安全高效抽采。

圖3 掘進(jìn)工作面順層鉆孔分區(qū)示意圖

1) Ⅰ區(qū)域。

位于抽采范圍前方60～80 m，該區(qū)域鉆孔間距最大，瓦斯抽采難度也最大，因此在該區(qū)域瓦斯抽采過(guò)程中選用最大的鉆孔半徑。由鉆孔周?chē)后w的瓦斯流動(dòng)特征可知：隨著鉆孔半徑的增加，鉆孔的瓦斯抽采半徑逐漸增大[6]. 但是考慮到現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，鉆孔半徑過(guò)大將會(huì)對(duì)巷道掘進(jìn)造成影響。因此，在新景礦的實(shí)際施工過(guò)程中，Ⅰ區(qū)域采用的鉆孔半徑為0.4 m.

2) Ⅱ區(qū)域。

位于巷道前方40～60 m，該區(qū)域鉆孔間距適中。安全起見(jiàn)，該區(qū)域鉆孔半徑按照掘進(jìn)工作面前方60 m處的鉆孔法向間距進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3) Ⅲ區(qū)域。

位于巷道前方20～40 m，該區(qū)域鉆孔間距最小。該區(qū)域的鉆孔半徑采用40 m處的鉆孔間距進(jìn)行設(shè)計(jì)。

造穴出煤量是保證沖孔造穴質(zhì)量的關(guān)鍵，也是提高煤體卸壓增透效果的重要前提。因此，對(duì)3個(gè)區(qū)域出煤量提出了設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表1.

表1 造穴區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)表

3 瓦斯抽采及卸壓增透效果考察

3.1 瓦斯抽采效果對(duì)比

1) 瓦斯抽采濃度和抽采純量對(duì)比。

在南五掘進(jìn)工作面順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采和北九掘進(jìn)工作面第四循環(huán)順層鉆孔水力沖孔造穴瓦斯抽采技術(shù)的施工過(guò)程中，對(duì)每個(gè)掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采數(shù)據(jù)均進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，兩個(gè)掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 水力造穴瓦斯抽采與普通鉆孔對(duì)比情況圖

在南五掘進(jìn)工作面預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采過(guò)程中，雖然鉆孔數(shù)目大于北九水力沖孔造穴瓦斯抽采工作面的鉆孔數(shù)目，但瓦斯抽采流量和濃度遠(yuǎn)低于水力沖孔造穴瓦斯抽采工作面。該工作面的瓦斯抽采平均瓦斯抽采濃度約為3%左右，但水力沖孔造穴工作面的瓦斯抽采濃度可達(dá)30%以上，提高10倍；在瓦斯抽采純量方面，預(yù)抽條帶瓦斯掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采純量約為0.15 m3/min，水力沖孔造穴掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采純量可達(dá)1.0 m3/min, 約提高6倍。

2) 瓦斯抽采總量及瓦斯抽采率。

北九掘進(jìn)工作面和南五掘進(jìn)工作面的原始瓦斯含量均約為17 m3/t，但是南五掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)45 d的瓦斯抽采，共抽出瓦斯約1.8萬(wàn)m3，瓦斯抽采率約20%；北九掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)20 d(打鉆過(guò)程10 d，單孔打鉆完成后即對(duì)該孔進(jìn)行抽采)的瓦斯抽采，共抽出瓦斯約4.9萬(wàn)m3(含造穴過(guò)程中風(fēng)排1.1萬(wàn)m3瓦斯)，瓦斯抽采率達(dá)到39%，與原來(lái)相比提高約2倍。

3.2 殘余瓦斯含量及鉆屑解吸指標(biāo)對(duì)比

1) 殘余瓦斯含量。

在南五正巷采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采技術(shù)后，南五正巷實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量最大值為13.04 m3/t，證明該循環(huán)瓦斯抽采效果較差。相反，北九正巷第四循環(huán)經(jīng)過(guò)20 d(含鉆孔施工過(guò)程10 d)的瓦斯抽采后，實(shí)測(cè)的殘余瓦斯含量最大值為10.78 m3/t，均小于11.0 m3/t(殘余瓦斯含量臨界值)，說(shuō)明該循環(huán)瓦斯抽采已經(jīng)達(dá)標(biāo)。上述兩個(gè)循環(huán)的殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果表明，采用順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采技術(shù)后，新景礦3#煤層的瓦斯抽采效果明顯改善。

2) 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆屑量指標(biāo)。

在南五掘進(jìn)工作面順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采過(guò)程中，隨著巷道的掘進(jìn)，實(shí)測(cè)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)逐漸增大，這是由于掘進(jìn)工作面鉆孔的發(fā)散特性所導(dǎo)致的。沿著巷道的掘進(jìn)方向，鉆孔的間距逐漸增大，瓦斯抽采越來(lái)越困難，因此巷道掘進(jìn)過(guò)程中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)逐漸增大。在巷道掘進(jìn)至30 m之后，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)開(kāi)始超標(biāo)，此時(shí)需要補(bǔ)充局部防突措施。

在北九正巷掘進(jìn)工作面采用順層鉆孔鉆沖一體化水力沖孔造穴瓦斯抽采結(jié)束后，由于每個(gè)區(qū)域的出煤量均是相同的，因此巷道在每個(gè)區(qū)域的掘進(jìn)過(guò)程中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)均降低到臨界值以下，可以保證整個(gè)巷道的施工安全。掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)測(cè)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5.

圖5 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)對(duì)比分析圖

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合陽(yáng)煤新景礦工程實(shí)況，對(duì)掘進(jìn)工作面的鉆沖一體化水力造穴技術(shù)施工工藝流程進(jìn)行完善，根據(jù)鉆孔發(fā)散特性將掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采范圍劃分為3個(gè)不同的區(qū)域，設(shè)計(jì)制定了水力造穴施工方案。

2) 新方案的瓦斯抽采循環(huán)長(zhǎng)度由原來(lái)的60 m提高到80 m，瓦斯抽采鉆孔個(gè)數(shù)由原來(lái)的49個(gè)降低為20個(gè)，巷道掘進(jìn)的月進(jìn)度由原來(lái)的20 m提高到60 m，施工效率得到極大提高。

3) 采用水力造穴技術(shù)后，瓦斯抽采濃度由原來(lái)的3%提高到30%，瓦斯抽采純量由0.15 m3/min提高到1.0 m3/min，瓦斯抽采率由20%提高到39%，掘進(jìn)過(guò)程中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)始終在臨界值以下，瓦斯抽采及卸壓增透效果得到改善，保障了突出煤層巷道的安全掘進(jìn)。