高压水射流扩孔增透技术在低透气性松软突出煤层快速消突中的应用

文/罗虎 王强

煤与瓦斯突出矿井煤巷掘进工作面在煤层底板施工岩巷，并施工穿层钻孔对掘进工作面进行条带消突，往往存在抽采时间长、抽采不彻底等现象，造成掘进进尺上不去，制约生产。

高压水射流钻扩一体化扩孔是一种提高钻孔瓦斯抽采效率的技术。通过在穿层钻孔内利用高压水射流冲击煤体，冲出若干直径较大的空洞，冲孔过程中排出大量的瓦斯和一定数量的煤炭，造成钻孔两帮和前方煤体充分卸压，提高煤层瓦斯渗透率，大幅度释放瓦斯，在煤体中形成一定的卸压区域，从而破坏煤体原应力平衡状态，孔洞周围煤体向孔洞方向发生大幅度位移，促使应力状态重新分布，集中应力带前移，有效应力降低，为突出煤层掘进工作面快速掘进提供了有利条件。

一、高压水射流扩孔增透技术及穿层钻孔工作面概况

1.高压水射流扩孔增透技术

高压水射流切缝技术是利用高压水流通过半径为0.7～0.8mm的喷射孔，其水流速度可达到3个马赫，利用足够大的冲击力冲击岩石煤体，对其产生物理破坏从而达到切割岩石的作用。高压水射流破岩机理是，射流冲击所产生的拉应力大于岩石抗拉强度时，岩石会发生破坏形成微小裂缝，水流侵入新生裂缝后会进一步扩展延伸。这样在高压水射流作用下所形成的裂缝，极大地提高了煤层的通透性、瓦斯的抽放效率和掘进速度，从而做到抽、掘、采平衡。

高压水射流扩孔增透技术的优点：一是可使高压液体能量只作用于一个点或极小面积上，破岩效率高；二是工作时不存在装备磨损，避免产生火花；三是高压水流冲击岩石后会产生水雾，可有效地减少空气中细小颗粒的含量。

2.穿层钻孔工作面概况

912风巷位于东翼一水平采区，下方为一采区9煤底抽巷，距离 912风巷法距为 18～43m，912风巷掘进期间采用底抽巷穿层钻孔预抽煤层条带区域综合防突措施，钻孔控制到巷道两帮轮廓线外15m，根据重庆煤科院对一采区9煤抽采半径考察报告，该区域9煤31、60、90天原始抽采半径分别为2.4、2.6、2.7m， 钻孔终孔点间距按5.4*5.4布置。

二、低透气性松软突出煤层常规抽采所存在的问题

9煤层坚固性系数为0.16，透气性系数为0.0429，属于松软低透气性煤层，风巷在掘进期间采用底抽巷穿层钻孔预抽煤层条带区域综合防突措施，因9煤层透气性差，预抽煤层瓦斯必然不均衡，造成掘进区域内局部盲点，防突管理及瓦斯治理问题严重制约掘进工作面的进尺，在遇到瓦斯异常区时，需要停头在底抽巷补充施工穿层钻孔继续预抽或在迎头采取排放钻孔等措施，平均进尺量仅有90m/月。

三、高压水射流扩孔增透技术的具体应用

鉴于以上情况，为了避免抽采不均衡，消除掘进区域瓦斯治理盲点，在底抽巷使用高压水射流扩孔增透技术。

1.钻孔设计

在底抽巷施工6个穿层钻孔，钻孔见煤点网格为10m×10m，钻孔孔径为 Φ108mm，方位角 125.2°～217.5°，倾角 59.1°～80.6°，孔深 36.6～45.2m。

2.工艺流程

高压水射流扩孔用于对已施工的钻孔进行扩孔，因此，扩孔操作须在钻孔打钻完成之后进行。高压水射流扩孔的工艺过程包括：

（1）先用SGZ-ⅢA钻机按钻孔设计参数施工至9煤层顶板0.5m，拔出钻杆后，将钻扩一体化中心钻头及连接的高压水钻杆送入孔内，并通过连接一定数量的高压水钻杆使其送入要求的深度。

（2）钻杆的尾部采用高压旋转水尾与高压管、高压水泵相连（见下图），设定高压水泵初始扩孔压力为12MPa，然后开动水泵，高压水通过高压管、高压水钻杆到钻扩一体化中心钻头，喷嘴在旋转的高压钻杆驱动下对钻孔的孔壁进行旋转切割，此时，可用人工或钻机沿钻孔轴向以适当的速度移动高压水钻杆开始扩孔作业，扩孔过程中，钻杆钻进速度不大于（0.05m/min），同时应加强监测钻机周围20m范围内瓦斯涌出情况，当钻孔具有喷孔威胁时，应适当降低钻进速度（0.02～0.03m/min）。

高压水射流钻扩一体化扩孔工艺示意图

（3）当钻杆移动一定长度后，可暂停供水，增加或卸掉一根或几根钻杆，然后继续进行扩孔。直到扩孔段的长度达到设计要求时，关掉高压水，拔出高压钻杆和钻扩一体化中心钻头。

（4）扩孔过程中，收集冲出的煤渣量，并做好记录。

（5）重复以上扩孔步骤，对其他钻孔进行扩孔。

四、应用效果分析

1.从瓦斯抽采流量分析

未采用高压水射流卸压增透工艺的考察钻孔单孔初始瓦斯抽采量为50.74m3/d，合管抽采31天单孔累计瓦斯抽采量644.4m3；采用高压水射流卸压增透工艺的考察钻孔单孔初始瓦斯抽采量为178.74m3/d，合管抽采31天单孔累计瓦斯抽采量1938.4m3。由此可见，单孔初始瓦斯抽采量同比增加2.52倍，合管抽采31天单孔累计瓦斯抽采量同比增加2倍，采用高压水射流钻扩一体化扩孔增透工艺使钻扩瓦斯抽采量大幅提升。

2.从瓦斯抽采半径分析

一采区9煤层底板穿层钻孔31、60、90天原始抽采半径分别为2.4、2.6、2.8m，钻孔抽采90天后接近极限抽采量，极限抽采半径为2.7m；底抽巷穿层钻孔采用高压水射流卸压增透工艺扩孔后，31、60、90天瓦斯抽采半径分别为4.3、4.5、4.5m，钻孔抽采60天后接近极限抽采量，极限抽采半径为4.5m。

五、总结

高压水射流钻扩一体化工艺技术使9煤层抽采半径同比增加67%～72%，钻场穿层钻孔工程量降低25%，扩孔后钻孔只需抽采60天即可达到极限4.5m抽采半径，比扩孔前抽采时间缩短30%，工作面掘进进尺量由原来的平均90m/月提高到150m/月。