底抽巷超前水力冲孔技术在煤巷防突及快速掘进的试验

刘 文 孙 锐

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司)

寺家庄矿自2007年投产以来共发生煤与瓦斯突出事故21次，全部发生在煤巷掘进头，事故频发威胁着矿工的生命安全，制约了矿井的建设和发展，究其原因，高突松软低透气性煤层瓦斯治理难题一直难以攻克。随着技术的进步，寺家庄煤矿先后试验了多种瓦斯治理方法及煤层增透措施，在一定程度上解决了瓦斯突出问题，但随之而来的是高成本、采掘接替失衡、达产困难等问题。针对15117工作面进风巷在严格采取“以岩保煤”瓦斯治理措施后掘进期间K1值频繁超标的情况，进行在底抽巷内向掌头煤壁施工超前水力冲孔试验，以达到防突和提高单进的目的。

1 煤巷掘进超前应力分布特征

煤巷掘进打破了煤岩体的应力平衡状态，导致巷道周围煤岩体应力重新分布。煤巷开挖后在短时间内掌头煤壁附近形成应力集中，当集中应力大于煤体强度极限时，煤体发生不可逆的塑性破坏进而导致集中应力向煤体深部移动，直至新的平衡点。当煤岩体应力重新分布达到平衡后，掘进面前方出现分区现象，依次为卸压区、应力集中区和原岩应力区，见图1。

图1 煤巷掘进面前方煤体分区特征示意

从图1可以看出，煤体的渗透率也呈现分区特征。在破碎区，由于煤体破碎，裂隙发育，瓦斯逸散较快，煤体渗透率由煤壁处最大值向煤体深处迅速下降；在应力集中区，靠近集中应力峰值处渗透率达到最小，该区域裂隙闭合，瓦斯流动不畅，在复合作用力下，瓦斯压力和瓦斯含量迅速增大，形成较大的瓦斯压力梯度，突出危险性较大；在原岩应力区，渗透率逐渐恢复，瓦斯压力梯度逐渐降低[1-2]。

煤巷掘进容易发生突出事故的原因比较复杂，找出其主要因素并对症下药是解决突出问题的关键。结合寺家庄矿煤层条件，降低其原始瓦斯压力和含量是防突工作的第一步，也是耗费大量人力、物力、时间的阶段；如果采用预抽煤层瓦斯措施效果甚微，在底抽巷内采用超前水力冲孔卸压增透措施，冲孔钻孔周围破坏区、塑性区与巷道塑性区重合，迫使煤巷掘进面集中应力峰值前移，降低塑性区瓦斯压力梯度，增大煤体渗透率，为一个比较好的方法。

2 水力冲孔增透原理

水力冲孔的基本原理为钻孔施工至煤层后，高压水通过特制钻头喷出，以极大的动能对煤体进行切割、破碎、冲刷，形成一个近似于圆柱形的掏槽孔洞，如图2所示。孔洞周围煤体向孔径方向产生大幅度径向位移，在一定的半径范围内煤体卸压、地应力降低、裂隙增多，逐渐释放煤层的弹性势能及瓦斯膨胀能，煤体渗透率显著增高，促进瓦斯解析与排放，增加煤层的塑性和湿度，改变煤层力学性质，降低突出动力[3-4]。

图2 水力冲孔增透示意

图3为钻孔形成后周围煤体呈现分区特征。远离孔道方向依次为破碎区、塑性区和原始区，不同分区内煤体渗透率具有不同特征。在破碎区，煤体破损、裂隙十分发育，体积应力在孔壁处最小，往径向方向大幅增大，在塑性变形和体积应力的共同作用下煤体的渗透率增大；在塑性区，煤体的塑性变形逐渐恢复，体积应力逐渐升高，裂隙衍生放缓，煤体的渗透率有所降低，但高于原始区；在原始区，煤体处于原始状态[5]。一般而言，破碎区和塑性区的范围越大，水力冲孔增透效果越好。

3 水力冲孔工业性试验

图3 单孔渗透率分区演化特征

15117工作面进风巷前330 m平均标高为+496 m 左右，平均埋深为510 m左右，瓦斯含量为8.35～13.22 m3/t，煤厚5.6 m，属中灰、中硫无烟煤。底抽巷掘进期间未发现断层、陷落柱等构造。煤层顶板为砂质泥岩、粉砂岩，底板为炭质泥岩、粉砂岩，在煤层顶板下0.2 m左右有一软分层，一般厚0.15～0.3 m，局部可增到0.5 m以上，属松软低渗煤层，突出危险性较大。在煤巷掘进之前实施了“以岩保煤”防突措施，即在底抽巷(距离煤层10 m)内施工穿层预抽钻孔，终孔间距为5 m，抽采时间6个月以上，该段抽采瓦斯量约35万m3，检验结果为6.1～7.7 m3/t。巷道掘进前130 m共实施了18轮局部突出危险性预测，超标10次，K1值最大为0.71 mL/(g·min)0.5，超标率为55.5%，未超标预测值多数介于0.4～0.5 mL/(g·min)0.5，严重制约了巷道掘进效率。

为了降低煤层突出危险性，减少K1值超标次数，第19轮巷道掘进时,在底抽巷内施工水力冲孔钻孔，每排布置3个冲孔钻孔，间排距为5 m×5 m。冲孔钻孔施工时始终超前于煤壁15～30 m，冲孔水压为10～12 MPa，单孔冲出煤量控制在5～8 t，冲孔完毕后接抽。由于水力冲孔工程量太大，在煤巷掘进至240 m处时调整了冲孔钻孔布置方式，每排布置2个冲孔钻孔，孔间距为7 m，排距为5 m，钻孔布置见图4。

图4 预抽钻孔及水力冲孔钻孔布置平面

图5为煤巷掘至145～215 m时各排预抽钻孔瓦斯浓度变化情况。从连续的15组放水包瓦斯浓度变化情况来看，掘进面煤壁前方30 m以外钻孔瓦斯浓度及流量基本无变化，在煤壁前方0～30 m内预抽钻孔瓦斯浓度从5%最大提高至30%，平均为18%，提高3.6倍。瓦斯纯量变化如图6所示，平均瓦斯纯流量从0.006 m3/min最大提高至0.043 m3/min，平均为0.021 m3/min，提高3.5倍，煤壁前方煤体瓦斯卸压效果比较明显。

图5 预抽钻孔瓦斯浓度变化曲线

煤巷掘进130～330 m期间共进行28次局部预测预报，如图7所示，多数K1值指标介于0.35～0.45 mL/(g·min)0.5，期间共超标5次，超标率为17.8%，下降了37.7个百分点。无论从预抽钻孔瓦斯抽采量还是K1值超标频率方面进行对比，水力冲孔后要比之前有较大改善，煤巷掘进从100 m/月提高至180 m/月，提高0.8倍。间接说明底抽巷超前水力冲孔措施能够使集中应力峰值前移，煤壁侧瓦斯压力梯度降低，掘进面前方0～30 m范围煤体瓦斯得到充分卸压。

图6 预抽钻孔瓦斯纯流量变化曲线

图7 冲孔前后K1值变化曲线

4 结 论

(1)煤巷掘进面前方应力集中区内煤体产生塑性变形，渗透率降低，瓦斯压力梯度增大。采用底抽巷超前水力冲孔卸压增透，快速降低应力集中区的瓦斯压力梯度，使集中应力峰值向煤体深部移动，是一种降低煤巷掘进面突出危险程度的有效方法。

(2)在底抽巷内采用超前水力冲孔措施，煤壁前方0～30 m内预抽钻孔瓦斯纯流量提高3.5倍，K1值超标率下降37.7个百分点，煤巷月进尺提高0.8倍，瓦斯治理效果显著，达到了快速掘进的目的。