吳晉軍, 李定啟

(1.山西晉能控股煤業(yè)集團 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000；2.河南理工大學，河南 焦作 454000)

采用水力沖孔技術對軟煤層實行卸壓增透，是一項較好的區(qū)域消突措施，在我國煤礦開采生產中廣泛應用，具有良好的實用效果[1-10]。高曉亮等[11]通過流體力學分析，對下斜鉆孔用水力沖孔器進行優(yōu)化，有效解決了下斜鉆孔施工過程中的排渣問題。馮文軍等[12]通過與企業(yè)合作研制出“瓦斯抽采孔水力作業(yè)機”，施工過程減免更換鉆桿，實現沖孔連續(xù)作業(yè)，利用視頻技術實現遠程操作。劉明舉等[13]通過理論計算研究水力沖孔噴嘴與沖孔壓力的關系，結果表明沖孔水壓隨噴嘴直徑增大而降低。沈逸飛等[14]利用有限元數值模擬軟件，得出孔洞受壓變形規(guī)律及出煤量與孔洞變形之間的關系。許江等[15]應用自主研發(fā)的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統及旋轉高壓水沖孔物理模擬試驗裝置進行水力沖孔物理模擬試驗，得出水力沖孔過程中的沖出煤量，沖孔后的孔洞形態(tài)及抽采過程中氣體壓力、流量等參數的動態(tài)演化規(guī)律。胡底煤礦3號煤層賦存不均衡，煤層頂板下方、底板上方均有軟煤層，工作面消突難度大。胡底煤礦采取底抽巷穿層鉆孔軟分層水力沖孔掏煤措施，以實現煤層巷道回采工作面區(qū)域消突，但效果不理想，為此，提出在胡底煤礦進行突出煤層軟分層水力沖孔掏煤技術研究，以實現煤層快速區(qū)域消突的目的。

1 軟分層水力沖孔掏煤防突機理

水力沖孔掏煤技術是軟煤層瓦斯區(qū)域消突的主要措施之一。突出煤層水力沖孔掏軟分層后，軟煤層中形成孔洞，余留煤柱。應力作用下煤柱蠕變，周邊徑向緩慢流動至孔洞，煤柱壓縮，煤層卸壓膨脹。據煤層防突經驗，保護層開采后，被保護層膨脹變形率達到千分之三以上，可實現充分卸壓消突效果。針對突出危險性較大軟分層優(yōu)先采用水力沖孔掏煤技術，在煤層內形成均勻卸壓區(qū)域，達到區(qū)域消突效果。本方法可對不具備保護層開采條件的突出煤層實現區(qū)域卸壓消突，提高煤層回采工作面瓦斯抽放效率、縮短抽放時間，最大程度消除瓦斯突出災害，提高開采工作效率。

2 軟分層水力沖孔掏煤設備及工藝

2.1 試驗地點

山西晉能控股集團胡底煤業(yè)有限公司(簡稱胡底煤礦，下同)位于山西省沁水縣胡底鄉(xiāng)境內，是沁水煤田樊莊勘探區(qū)的一部分，工業(yè)場地西距沁水縣縣城約50 km，東距胡底鄉(xiāng)約3 km.主采3號煤層，平均5.67 m，頂底部存在穩(wěn)定軟分層，厚度均為0.3 m左右。試驗地點選取1305底抽巷巷道穿層鉆孔掩護13053煤巷掘進。3號煤層地應力、瓦斯壓力大，瓦斯含量高，透氣性系數為9.01～21.30 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.022 2～0.039 6 d-1.

2.2 掏煤裝備

胡底煤礦3號煤層軟分層水力沖孔掏煤試驗主要設備有：鉆機、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、新型高壓密封旋轉裝置、高壓管、高壓控制閥、高壓密封三棱鉆桿、高壓噴頭、防超限裝置、煤氣水分離裝置等。

2.3 水力沖孔掏煤工藝

1) 采用高壓密封水力沖孔鉆桿(D73 mm)、高低壓轉換鉆頭(D133 mm)、高壓水泵和靜壓供水管設備，施工水力沖孔試驗孔。

2) 穿層鉆孔施工完成，啟動乳化液泵，壓力逐漸遞增，觀察出煤量，待出煤量達到峰值保持泵壓不動，后撤鉆桿進行水力沖孔掏煤作業(yè)，記錄沖孔壓力、流量參數、時間。

3) 待掏煤鉆頭進入煤層底板，出現返清水現象，關停水泵、進水閥門，撤出鉆桿結束掏煤。

4) 卸下防噴裝置，實施穿層孔封孔，連接瓦斯抽采管道，安裝抽采參數測定孔板，監(jiān)測瓦斯抽采濃度。

5) 水力沖孔掏煤施工結束，清理沉淀池中煤泥，裝入編織袋標定，使用鏟車或帶式輸送機送出礦井。

3 水力沖孔掏煤試驗方案

掏煤間距設置為5 m，考察水力沖孔掏煤效果。選取試驗鉆孔10個，其中1號、5號、12號、16號為掏煤孔，1號和5號孔布置于1305底抽巷東幫，12號和16號孔布置于1305底抽巷西幫，東、西幫掏煤孔呈對稱布置。試驗采用的水射流掏煤壓力為16～28 MPa.

表1 鉆孔施工參數

4 水力沖孔掏煤效果考察

4.1 掏煤量考察

實驗過程中5-5號鉆孔因鉆機漏油而停止工作，未完成掏煤工作量。6-6號鉆孔施工過程鉆機偏行，未出軟煤。0-5號鉆孔因施工停水未完成掏煤。剩余7個鉆孔掏煤工作正常。鉆孔施工參數見圖1.水射流壓力22 MPa時掏煤效率最佳，當壓力小于16～22 MPa時，掏煤量隨著射流壓力增加而增加；當壓力大于22 MPa時，掏煤量隨著射流壓力增加而減少。

圖1 掏煤試驗設備

造成這一試驗結果的主要原因是用于掏煤試驗的高壓水泵為定量泵，水射流的流量隨著壓力增加而減小，當流量小于臨界值時，水射流掏煤流量開始減少。各鉆孔掏煤結果如表2所示。

表2 鉆孔出煤量分析

4.2 效果考察

現場試驗數據表明，水力沖孔掏煤在胡底煤礦試驗取得良好效果，掏煤后瓦斯抽采效率增加。該技術可有效解決胡底煤礦低透性突出煤層瓦斯難抽放等問題。水力定向掏軟煤后，掏煤鉆孔瓦斯抽采濃度由原來的20%～40%上升至40%～60%，掏煤鉆孔平均瓦斯抽采量由0.03 m3/d上升至1.07 m3/d.掏煤鉆孔濃度及周圍對比孔濃度對比如圖2所示。

圖2 掏煤鉆孔濃度及周圍對比孔濃度對比

13052煤巷掘進沒有實施水力沖孔掏煤，13053煤巷掘進實施水力沖孔掏煤，掘進效率對比如圖3所示。

圖3 煤巷掘進效率對比

實施水力沖孔掏煤技術前，1305底抽巷采用普通鉆機施工穿層孔進行瓦斯抽采，瓦斯抽采效率低下、抽采周期長，消突效果不明顯，影響煤巷回采掘進效率。水力沖孔掏煤后，煤層表現良好的區(qū)域卸壓消突效果，煤層充分卸壓消突，煤巷掘進效率提高了1倍以上。

5 結 語

1) 胡底煤礦3號煤層軟分層作為本煤層保護層，利用穿層鉆孔高壓水射流技術對軟分層進行掏煤，當壓力達到24 MPa時水射流掏煤效率較高。

2) 采用水力沖孔掏煤軟分層后，煤層實現充分卸壓，達到煤層消突目的，瓦斯抽采濃度提高60%以上，煤巷掘進效率提高1倍以上。

3) 胡底煤礦3號煤層的軟分層作為本煤層保護層，利用穿層鉆孔高壓水射流對軟分層進行掏煤開采，能夠以最少的工程成本和最短的時間取得保護層開采的效果。