新景矿水力造穴快速掘进技术研究

摘 要：新景矿3#煤属于突出煤层，早期的超前预抽措施严重影响了南五正巷的掘进速度，水力造穴措施的运用极大地提高了该巷的消突效果，使掘进速度相比早期提高了85%以上。

关键词：突出煤层；水力造穴；消突；掘进速度

1 矿井概况

新景矿位于阳泉市区西部，井田东西长约10.5km，南北宽约8.5km，面积约为66.4km2。设计产量为600万t/a，一水平设计高程+525m，二水平设计高程+490m。该井田共含煤19层，其中的3#煤层为稳定且全区可采煤层，煤质为优质无烟煤。2004年11月11日，位于3#煤层的7303工作面发生首次煤与瓦斯突出事故，突出煤70t，瓦斯11560m3，造成1人死亡。2005年经煤炭科学总院抚顺研究院鉴定，新景矿3#煤层为突出煤层，矿井为突出矿井。在随后的采掘过程中，3#煤层频繁发生煤与瓦斯突出和瓦斯喷出现象，瓦斯涌出量通常在10m3/t以上，最大可达77.45m3/t。3#煤层透气性系数为0.0957～0.5692m2/MPa2·d，基本属于可以抽放煤层，但是抽放难度较大。

南五正巷位于+525m水平保安区，设计长度均为1570m，全巷沿3#煤顶板掘进，巷道净高2.6m，宽5m，属于突出危险性掘进工作面，在掘进过程中需实施超前预抽的防突措施，但是瓦斯抽采效果较差，消突时间长，通常需达10～15天，造成巷道掘进速度过低，每月进尺仅35m左右，严重影响了矿井正常的采掘接续。因此，急需一种实现该巷快速消突的技术来保证巷道按期完工。本文介绍了水力造穴技术在该巷的试验应用，试验结果证明水力造穴技术的应用对突出掘进工作面能够起到快速消突的效果，提高巷道的进尺速度。

2 水力造穴机理

水力造穴是在原有钻孔的基础上，通过高压水射流将钻孔的煤壁进行破碎剥离，形成一段或者数段直径远大于初始钻孔直径的孔洞，俗称水力冲孔。由于煤体的原始应力平衡得到破坏，造成煤体在孔洞方向发生位移，促使应力状态重新分布，从而诱导煤体的次生裂隙发育。煤体中瓦斯的赋存与解析的平衡得到破坏，部分吸附瓦斯向游离瓦斯转化，并通过裂隙进行运移排放。同时被高压水浸泡的煤体的塑性得到增强，降低了煤体的吸解速度、水力造穴时冲出的大型孔洞对煤体起到一定的卸压作用，进而破坏了发生突出的基础条件。

3 水力造穴的施工工艺及效果

3.1 水力造穴设备

（1）ZDY2300LX履带式液压钻机，额定转矩为800～2300N·m，转速60～170r/min。

（2）履带式高压清水泵站：水泵流量200L/min，水泵额定压力20MPa。

（3）螺旋高压密封钻杆：钻杆直径φ80mm，最大耐压20MPa。

（4）高压旋转接头额定转速为100r/min，额定压力20MPa，额定流量200L/min，水箱1500L。

（5）高压水射流阀组。

（6）三防装置，具有临时封孔，煤水分离等作用。

以上设备在巷道中的布置如图1所示。

3.2 南五正巷水力造穴施工工艺

在具体实施时，首先在设计钻孔位置用φ153mm的扩孔钻头施工一个深度为1m的浅孔，将与三防装置配套的水力临时封孔套筒塞入到短孔内，通过清水泵站向封孔套筒上的胶袋充水，压力为3MPa。用软管将三防装置與南五正五巷的瓦斯抽采管路连接，实现临时封孔功能。随后用φ94mm钻头换下φ153mm扩孔钻头，进行正常打孔，待钻孔达到设计深度时，通过退卸钻杆将钻孔中水力冲孔阀调整到需要造穴的位置。随后提高履带式高压清水泵站的供水压力至20MPa，此时水力冲孔阀开启，通过钻杆的前后往复推进和高速旋转，高压水射流实现剥离煤体的效果。造穴冲出的煤体通过三防装置进行煤水分离。冲孔造穴尺寸设计为φ0.8m，长度1m，可通过钻孔出煤量估算造穴的孔径。当一个钻孔完成水力造穴施工后，退出所有钻杆，并调节钻机的角度，按照相同的工艺进行下一个孔的施工，并对已施工孔进行及时封孔。

图2为南五正巷掌子面上钻孔及水力造穴的位置，共布置钻孔18个，采用三排局扇法布置，对1～12#钻孔实施水力冲孔措施，13～18#钻孔为做实验效果对比而不进行水力冲孔施工，其中7～12#钻孔设计深度60m，由于钻孔深度不同，1#、2e钻孔施工一个造穴，3#、4#钻孔施工两个造穴，5～12#钻孔施工3个造穴，两个造穴间距通常为15～20m。由于水力造穴能够对局部煤体进行扰动，有诱导小范围煤与瓦斯突出的危险，因此造穴距离掌子面的最近距离不得小于20m。

3.3 南五正巷水力造穴消突效果

通过钻孔的位置关系，将6#与13#，5#与14#，3#与16#，2#与17#钻孔分为四组进行对比试验，将这些钻孔在抽采1至6天内的瓦斯抽采平均浓度、平均抽采混合量进行对比，其结果如表1所示。

从表1可知，进行造穴的钻孔在抽采第三天时，平均抽采量与未造穴钻孔相比，平均增加51%，且瓦斯的净抽采量平均增加69%；

在抽采第六天时，进行造穴的钻孔平均抽采量与未造穴钻孔相比平均增加83%，且瓦斯的净抽采量平均增加90%。

当抽采至第七天时，分别在-30°方向距掌子面50m和20m处（未造穴区域）测试煤层瓦斯含量，分别为11.94m3/t、7.03m3/t；而+30°方向距离掌子面55m、20m处（造穴区域）瓦斯含量为分别9.73m3/t、4.03m3/t。

综上所述，与早期煤层瓦斯预抽相比，通过增加水力造穴工艺能够极大的促进南五正巷的消突效果，将煤层瓦斯含量提早下降到标准下。

4 结论

现新景矿南五正巷掌子面上每次布置12个造穴钻孔，相比早期钻孔数减少1/3。钻孔依旧呈局部扇形布置，其中0°方向钻孔设计深度为60m，通常在预抽3～5天后，距离掌子面30m深处的煤层瓦斯含量8m3/t以下，瓦斯压力下降到0.74MPa以下。现南五正巷已可连续掘进20m，月进尺可达65m，与早期相比增加85%。

虽然水力造穴能够极大提高巷道的消突时间，但是水力冲孔因用水量进而出煤量较大，常造成巷道地板泥化严重，因此需提前疏通巷道临时水沟并及时清理造穴出煤。

参考文献

[1]刘明举，赵文武，等.水力冲孔快速消突技术的研究与应用[J].煤炭科学技术，2010，03：58-61.

[2]周华玉.水力冲孔快速消突技术的研究[J].煤炭科技，2012，02：4-5.

[3]郭旭锋，李江涛.水力冲孔增透技术的数值模拟及现场应用[J].中州煤炭，2014，02：37-39.

作者简介：王晓平（1984，07-），男，汉族，陕西洛南县人，本科，河南铁福来装备制造股份有限公司，助理工程师，研究方向：矿用钻探装备。