高压水射流卸压增透技术在松软厚煤层防突中的应用

刘新民

(陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引言

煤与瓦斯突出是煤矿井下一种复杂的动力现象，其致灾机理复杂，影响因素众多，到目前为止，突出发生原因、规律尚未完全掌握，煤与瓦斯突出防治仍然是一项世界性难题[1-2]。在有突出危险的厚煤层进行巷道掘进时，往往由于掘进区域煤体内残余瓦斯含量仍然较高，导致瓦斯涌出量大，巷道内瓦斯容易超限，常常影响巷道的掘进速度。掘进速度又影响正常的采掘接替，因此，往往会造成本煤层瓦斯预抽时间短，抽采率低等问题，给工作面安全回采带来了隐患。

多年的开采实践证明，开采保护层是国内外一致认可的消除煤层突出危险，提高煤层瓦斯抽采效率的有效措施。但是对于高应力、透气性差且无保护层开采条件的突出煤层进行卸压增透成为行业研究的重点和难点。随着科技装备的发展，高压水射流扩孔卸压增透技术逐渐发展成为一种比较成熟的卸压增透措施，通过采用高压水射流作用将钻孔内部分煤体冲出，卸除钻孔周边煤体应力，在煤体中制造裂隙，增加煤层透气性，加快煤体瓦斯解吸速度，强化瓦斯抽采效果。高压水射流扩孔卸压增透技术是一种具有广阔应用前景的安全防突措施[3-9]。

1 试验工作面概况

桑树坪煤矿为突出矿井，开采的2#、3#、11#煤层均为突出煤层，其中主采3#煤层为近水平严重突出厚煤层，共发生突出122次，表现为应力主导型突出。矿井开采突出危险性相对较小的2#、11#煤层保护主采3#煤层，但矿井北翼上覆近距离2#煤层部分区域不可采，同时下伏11#煤层受奥灰水害威胁严重也不具备下保护层开采条件。因此，直接开采近水平严重突出厚煤层预抽综合防突技术是矿井可持续生产重大安全生产技术攻关难题。针对桑树坪煤矿不具备开采保护层条件区域，以4321工作面为试验工作面，开展底板巷上向穿层钻孔高压水射流扩孔卸压增透强化煤巷条带区域瓦斯抽采试验。

以桑树坪煤矿北一采区下山的4321工作面作为试验工作面，该工作面区域3#煤层埋深为500～560 m。工作面采用倾斜条带布置，仰斜开采，倾斜可采长度1 133 m，切眼宽度170 m，在设计的4321运输顺槽正下方20 m的底板中布置一条底板瓦斯抽放巷，如图1所示。

图1 4321工作面巷道布置示意图

4321工作面3#煤层位于二叠系下二叠统山西组中部，为厚煤层，煤厚3.5～14.0 m，平均7.0 m，具体表现为上部偏薄、中下部较厚的特点。3#煤层土状构造，似土质煤，煤体破坏类型为Ⅴ类，煤的坚固性系数0.1～0.3。工作面倾斜上部直接顶为中砂岩、粉砂岩，顶板岩性坚硬，平均厚度16.65 m；倾斜下部含砂质泥岩顶板，厚度为3.0 m；老顶为中砂岩。3#煤层直接底板主要是细砂岩，坚硬致密，平均厚度3.0 m。韩城矿区具有6级浅源地震地压背景，煤系地层层滑构造发育，煤层赋存厚度变化大，其顶底板储存了大量弹性能，应力主导型突出危险性增加。在4321工作面试验区域测得3#煤层原始瓦斯压力为0.88 MPa，瓦斯含量8.69 m3/t，属较难抽采煤层。

2 高压水射流扩孔增透技术及装备

2.1 高压水射流扩孔增透机理

由高压泵作为高压水射流动力源，通过高压钻杆带动扩孔钻头旋转，高压水射流对钻孔周边的煤体进行旋转式切割与钻进，同时利用扩孔钻头钻切齿切割并破碎大块煤以提高排渣效果。高压扩孔钻杆沿钻孔轴向旋转前进从而对整个钻孔的径向连续扩孔，进而增加钻孔直径和煤层暴露表面积，提高煤体的卸压增透效果，有效提升单孔抽采瓦斯量和抽采效率，快速降低或消除突出潜能[10-11](弹性能、瓦斯潜能)，如图2所示。

a-普通钻孔；b-扩孔钻孔图2 普通与扩孔钻孔抽采对比示意图

高压水射流钻扩技术能够有效增加煤层透气性，进而增大煤层抽采半径，减少钻孔工程量，缩短抽采时间。利用水射流钻扩一体化技术可以较好地实现设计区域均匀卸压、提高透气性和促进瓦斯抽放的作用，降低或消除突出的弹性能与瓦斯潜能。突出煤层煤巷条带区域消突及石门揭煤采用穿层钻孔高压水射流钻扩一体化卸压防突技术安全可靠，效果显著。

2.2 一体化技术工艺及参数选型

高压水射流钻扩一体化装置主要由高压清水泵、高压钻杆、扩孔钻头、高压旋转水尾、水箱、高压胶管、高压闸阀、矿用钻机等组成。高压水射流扩孔一体化技术工艺如图3所示。钻孔施工至预定深度后，开启高压清水泵，高压水通过喷嘴在钻杆旋转带动下对孔壁进行冲刷切割，增加或者拆卸钻杆实现钻进扩孔和后退扩孔，直到扩孔段的长度达到设计要求，扩孔作业结束。

图3 高压水射流钻扩一体化技术工艺示意图

扩孔喷嘴直径φ2.0～4.0 mm，煤层坚固性系数越小其选择的喷嘴直径越大，同时兼顾流量排屑的影响。试验区煤层坚固性系数0.1～0.3，确定选择喷嘴直径φ3.0 mm，不同泵流量下的排屑情况见表1，泵流量达到200 L/min时，可保证煤屑与水混合物顺畅排出。根据试验情况，选择喷嘴直径φ3.0 mm，泵流量≥200 L/min，泵的工作压力18 MPa。由于煤层松软，若采用钻孔施工完毕后倒退扩孔，一方面钻孔本身难以成孔，另一方面倒退扩孔过程中易发生堵孔现象，因此，确定采用钻孔见煤后直接扩孔的方式。

表1 不同泵流量下的排屑情况

3 高压水射流扩孔效果初步试验

3.1 试验考察扩孔钻孔布置

在桑树坪煤矿北一采区4321底板巷设计4组观察钻孔，4组钻孔终孔间距依次分别为6 m×6 m，6 m×6 m，8 m×8 m，10 m×10 m。钻孔控制4321回顺轮廓线外范围≥15 m。设计钻孔直径94 mm，钻孔应穿过煤层0.5 m，扩孔钻孔见煤后使用高压水射流钻扩一体化装置进行扩孔。扩孔钻孔布置如图4所示。对不同扩孔方式、钻孔间距、排出煤屑率、扩孔前后钻孔初始瓦斯涌出量及钻孔流量衰减系数等进行观察。

图4 高压水射流扩孔初步试验钻孔布置图

3.2 试验效果分析

3#煤层扩孔前钻孔瓦斯流量衰减系数为0.079 6～0.102 0 d-1，属于较难抽采煤层，扩孔后钻孔瓦斯流量衰减系数为0.018 1～0.039 2 d-1，属于可以抽采煤层，减小3～7倍。扩孔后钻孔流量由1.085 5 L/min提高至2.377 1 L/min，钻孔瓦斯涌出量提高2倍，见表2。通过扩出煤屑率、扩孔前后钻孔初始瓦斯涌出量及钻孔流量衰减系数等结果对比分析得出：通过高压水射流扩孔，煤层的可抽性得到明显改善。

表2 扩孔前后钻孔瓦斯涌出相关参数测定结果

初步试验区域每组扩孔钻孔扩出煤屑率进行分析，排出煤屑率统计见表3。

表3 排出煤屑率统计表

全扩试验扩孔区域排出煤屑率1.35%～2.49%，随钻孔间距的增大而减小；分析认为扩孔钻孔间距为6 m时，卸压效果较理想。

4 高压水射流扩孔扩大试验

4.1 扩大试验穿层钻孔布置

基于底板巷初步试验扩孔钻孔的抽采效果及抽采半径，优化设计后续底板巷延伸区域的3～8号钻场区域扩孔钻孔，采用6 m×6 m完全扩孔方式，扩大试验区扩孔钻孔布置以4号钻场钻孔为例，如图5所示。

图5 高压水射流扩孔扩大试验钻孔布置图

4.2 扩大试验预抽效果分析

扩大试验采用完全扩孔方式，试验区排出煤屑率统计见表4。普通区域每组平均单个孔排出煤屑量1.67～2.67 t，普通区域每组排出煤屑率1.24%～2.41%。

表4 扩大试验排出煤屑率统计表

底板巷采用穿层扩孔对4321运顺条带预抽煤层瓦斯时，抽采负压0.12～23.73 kPa，混合流量2.78～36.35 m3/min，浓度8.04%～52.35%，平均23.86%；日抽采瓦斯量658.96～11 987.5 m3，日均5 282.65 m3，平均单孔抽采量0.033 m3/min，累计抽采瓦斯73.64万m3，如图6所示。矿井普通钻孔预抽浓度一般不超过10%，单孔抽采量0.020 m3/min，扩孔前后相比，扩孔的抽采浓度及抽采量都显著提高。同时，通过水力扩孔排出大量煤屑，增大了煤层内部自由空间，卸除煤层中的部分应力，消除突出的煤体弹性能，对控制桑树坪煤矿地应力主导型突出效果显著。

图6 扩孔钻孔预抽煤层瓦斯监测数据曲线图

试验区3#煤层瓦斯含量最高为8.69 m3/t，按照预抽煤层残余瓦斯含量目标5 m3/t计算，扩孔试验区域应该抽采瓦斯39.41万m3，达到预期抽采目标。4321运输巷高压水射流扩孔试验段效果检验3#煤层残余瓦斯含量4.24～5.95 m3/t，平均为5.08 m3/t，残余瓦斯含量值小于规定的临界值8 m3/t，且验孔时在煤层中未产生喷孔、顶钻等其他突出预兆，确定4321运输巷试验段区域无突出危险。

5 结论

(1)高压水射流扩孔卸压增透措施能够有效解决桑树坪煤矿松软低透的地应力主导型突出煤层的区域消突。通过水力扩孔措施，单个钻孔能够有效地排渣1.67～2.67 t，扩孔排出煤屑率1.24%～2.41%，钻孔周围煤体得到卸压充分、煤层透气性显著增加，瓦斯涌出量大幅度增加。

(2)高压水射流扩孔增透措施能有效地提高桑树坪煤矿松软低透煤层瓦斯预抽效果。3#煤层扩孔后钻孔瓦斯流量衰减系数减小3～7倍，扩孔后钻孔瓦斯涌出量提高2倍。高压水射流扩孔卸压增透技术的应用为桑树坪煤矿松软严重突出厚煤层煤巷条带预抽防突提供了一条可行、可靠的技术思路。