水力造穴卸压增透一体化技术在新景矿的应用研究

武国胜 武泽铭 白新华

(河南铁福来装备制造股份有限公司，河南省平顶山市，467000)

我国是瓦斯事故特别严重的国家之一，瓦斯灾害的治理已成为矿井安全生产工作的重点，瓦斯灾害防治重点和难点是瓦斯抽采和防突，提高煤矿瓦斯抽采率是煤矿安全生产的治本之策。我国成煤时期长，大部分矿区构造复杂，透气性低，82%煤层渗透率小于1 mD，大多数矿井瓦斯平均抽采率仅有23%。阳泉矿区煤质极松软、透气性差，突出危险性大，几乎没有保护层开采条件。目前采用了地面煤层气开采、水力压裂、CO2预裂、水力冲割缝等措施，采用穿(顺)层钻孔预抽煤层瓦斯，施工底板抽放巷治理回风巷掘进条带瓦斯，同时施工低位高抽巷治理工作面上隅角瓦斯。因煤层可钻性差且易引起孔壁坍塌以及煤层透气性差等原因，抽采效果差，瓦斯灾害严重制约了矿井安全高效回采和可持续发展。通过开展水力造穴卸压增透一体化装备及技术的研究，提升了矿井的机械化装备水平，增加了煤层透气性，提高了瓦斯抽采效果、防突指标效检超标率明显降低，显著降低了煤与瓦斯突出危险性，实现了安全、快速掘进，最终带来了显著的安全效益和经济效益。

1 工作面概况

新景矿位于阳泉市区西部，距阳泉市中心11 km，井田东南部为辛兴煤矿和神堂嘴煤矿，东北部为三矿井田，北部为一矿井田，西部为七里河井田，西南部为保安煤矿，南部为二矿井田，整体东西长10.5 km，南北宽8.5 km，井田面积59.3 km2。

矿井地理区位处于太行山北段西侧南麓低中山区，由于地壳长期隆起，侵蚀基准面下降，切割较深，沟谷纵横，地形陡峻，形成了较为复杂的中低山地貌。区内总体地势呈西北高，往东南方向逐渐降低的趋势。

矿井生产能力750万t/a，主斜井-副立井混合开拓方式，矿井主生产水平+525 m，准备水平+420 m；采用抽出式通风，分区式通风系统，有6个进风井和5个回风井，矿井总入风量80000 m3/min，总回风量79990 m3/min，普遍采用“U+I”型通风系统，设置进风巷、回风巷、内错尾巷和走向瓦斯高抽巷4条回采巷道。

主要含煤地层为上石炭系太原组和下二叠系山西组，煤系地层总厚度平均为181.0 m，稳定且全区可采的为3#和15#煤层，煤层坚固性系数f为0.38～0.52，煤层透气性系数为0.0188～0.1377 m2/MPa2·d，钻孔百米流量衰减系数为0.0687～1.5942 d-1，煤层平均瓦斯含量为18.17 m3/t，瓦斯压力为1.3～2.26 MPa，属于典型的松软、低透、高瓦斯突出煤层，期间曾发生多次煤与瓦斯突出事故。

2 水力造穴卸压增透一体化装备及技术

水力造穴卸压增透一体化技术是通过煤矿用履带式钻机在煤体中先形成一个钻孔，在预定位置实现变径造穴，造穴部位卸出一定量的煤体，形成一个类圆柱状孔硐室，为含瓦斯煤体膨胀变形、卸压、位移提供了空间，同时促进煤体裂隙网络发育，煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯有效抽采，最终消除煤与瓦斯突出危险性。通常情况下，成套设备提供18 MPa、200 L/min的动力输出，高压水对煤层进行造穴后通常形成直径0.6～1 m，长度1 m的洞穴空间，总体实现了对含瓦斯突出煤体卸压、增透，达到了减弱、消除煤与瓦斯突出危险性的目的。水力造穴示意图见图1。

图1 水力造穴示意图

河南铁福来装备制造股份有限公司联合中国矿业大学研发成功了ZDY4500系列造穴钻机。ZDY4500系列造穴钻机具有适应煤层坚固性系数f≤10的各种煤岩层，宽度小于1 m，导轨可实现水平±180°旋转，俯仰±90°调角，履带式承载，独立行走，原地转向，工作机构与动力系统合为一体，结构紧凑、全液压控制，省时、省力高效；高压水泵站具有26 MPa、流量200 L/min的高压力、大流量输出；打钻、造穴钻具单元由高压密封钻杆、高压水旋转接头和高低压水流转换阀组成，具有常规水压实现正常打钻、高压状态水力径向射出造穴功能，实现高低压自由转换，做到了不退出、更换钻杆，打钻、造穴一体化操作；煤水瓦斯固液分离车实现以煤为主的固体走上部，水流走下部，干湿有效分离，采用履带行走，提高对井下巷道的适应性，分离效果好，减轻工作强度、利于标准化建设，拥有50 m3/h混合物处理能力。

3 技术实施

选取在新景矿3#煤层的3216工作面进行水力造穴的工业性试验，便于后期效果考察对比，同时在该巷道的其他区段选取同样地质条件下的常规抽采区域作为对比。选取具有代表性的5个施工循环进行技术效果考察，造穴钻孔主体沿巷道掘进方向施工，巷道上帮方向施工仰角孔，巷道预定位置(中间)施工水平孔，下帮施工俯角孔，钻孔的方位角参照巷道掘进中心轴线为0°，钻孔布置如图2和表1所示。

图2 水力造穴钻孔布置平面图

表1 水力造穴钻孔布置参数

掘进工作面巷道宽度5 m，掩护巷道掘进两帮各15 m，水力造穴控制区域为35 m，水力造穴孔孔底间距6～7 m左右，钻孔控制、释放掘进条带瓦斯，降低地应力、瓦斯压力；施工完钻孔后，实施后退式造穴，即先施工预定孔深的钻孔，使用打钻造穴单元从孔底往外段依次造穴，造穴长度1 m左右，预计造穴直径0.8～1 m，造穴出煤量采用现场实际计量，造穴完成后，后退7～10 m进行第二处造穴，以此类推，直到该钻孔最外段距离掘进断面煤壁20 m附近，完成该钻孔造穴；重复完成该掘进工作面其他钻孔的造穴作业。管路沿线的非造穴作业人员需要撤离，造穴施工过程中，多伴随有响煤炮声以及瓦斯、煤水混合物大量涌出等现象，水力造穴过程中压力有较大波动，维持在11～24 MPa，流量在200 L/min左右，单穴造穴用水量6～8 m3，单穴出煤量预计1.0～1.55 t。

4 水力造穴技术效果考察

4.1 造穴出煤量考察

水力造穴施工过程切割、破碎大量煤体，煤水混合物从孔口流出，经煤水瓦斯固液分离车处理，并计量、称重。部分造穴段出煤量多达3.7 t，最少出煤量0.6 t，单孔平均出煤量在1.3 t左右。以第5循环为例，设计、施工造穴段55个，共计出煤量70.6 t。其中以6#中间孔为例，6#中间孔共造穴8处，出煤量共计13.1 t，最外段造穴位置为22～23 m，编号为1#，最里段造穴位置为92～93 m，编号为8#，造穴段间距统一设定为9 m，造穴出煤以煤水混合物中煤屑大量减少、水流逐步变清为止，时间普遍在35 min，1#～8#造穴孔出煤量分别为1.5 t、1.3 t、1.2 t、1.5 t、0.7 t、2.1 t、1.3 t和3.5 t。

造穴过程中，控制区域内煤体卸出率达到5.98‰～8.92‰，平均在7.5‰，开采保护层的效果考察认定认为：被保护层的最大膨胀变形量大于3‰，则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护层。因此本文认为，水力造穴卸出大量煤体，直观整体卸压效果良好。卸出煤体导致煤层变形、位移、膨胀，施工过程伴随大量瓦斯的释放，同时是地应力缓和降低的重要指标。在后期效果考察中掘进至造穴对应位置时，观测到造穴段煤体重新运移迹象，造穴孔硐基本恢复，煤体破碎、扰动痕迹明显，周围煤体湿润，可见毫米级主缝隙存在，缝隙方向多为垂直钻孔钻进方向，直观验证了造穴孔增透、卸压的效果；煤体大量位移为地应力、煤体瓦斯压力释放、降低提供了位移空间，造穴破碎、扰动了煤体，形成新的裂隙、沟通原有裂隙，构成了发育的裂隙网络。控制区域造穴出煤统计见表2。

表2 控制区域造穴出煤统计

4.2 瓦斯抽采效果

选取第5循环1#、6#造穴抽采孔的抽采数据，与本巷道常规区域未采用水力造穴的抽采孔进行对比分析，抽采负压平均为14 kPa，地理条件位于同一巷道内，认为是同样瓦斯地质条件、同样抽采工况，利于对比分析，从抽采时间和抽采浓度上进行分析比较。水力造穴措施孔抽采浓度维持在30%以上的时间长达20 d以上，常规措施孔联抽后6 d衰减到30%左右(选取30%为有效浓度)，10 d就衰减到10%左右。造穴前后抽采情况对比如图3所示。

图3 造穴前后抽采情况对比

掘进工作面水力造穴抽采孔数量为11个(通常后期适当补充5个左右钻孔)，孔底间距为6～7 m；常规抽采孔数量为35～40个左右，孔底间距为2～3 m，抽采孔数量降低了60%左右，在抽采孔数量大幅度降低的情况下，抽采浓度提高、抽采时间延长，综合抽采效果提高1倍以上。

在抽采半径增大1倍以上的情况下，瓦斯平均抽采浓度大幅度提高，以6#造穴孔为例，单孔抽采纯量为0.83 m3/min，该循环11个抽采孔，日抽瓦斯高达2700 m3/d，考察期内该区域抽采瓦斯共计43000 m3，抽采瓦斯浓度、流量满足发电、居民使用要求；抽采时间大幅度延长，由以前的有效抽采6 d左右提高到措施后的22 d，提高了2.6倍；水力造穴措施控制区域内，综合煤厚、平均瓦斯含量、煤体密度、结合控制区域面积，计算区域范围内一次有效预抽率为35%以上，比造穴前一次预抽率的12%提高了近2倍，促进了抽采达标。

4.3 防突指标效检超标率情况

在水力造穴措施控制区域内，瓦斯抽采后，对应掘进期间，进行防突钻屑瓦斯解吸指标K1的考察统计，同时选取常规措施区域K1进行对比分析。常规措施区域一次效检合格率较低，存在效检指标超标情况，在统计的75 m掘进区间内，超过临界值的区段有6次，局部K1高达0.85 mL/(g·min)0.5，超过指标临界值，导致重新补充局部防突措施，在进行二次效检时，增加了施工工序，增加了防突成本，延长了防突时间，降低了掘进效率；在采用水力造穴措施后，效检合格率大幅度提高，在统计的75 m掘进区间内，超过临界值的区段仅有2次，分别为0.57 mL/(g·min)0.5、0.52 mL/(g·min)0.5，效果检验合格率提高了2倍，一次效检合格率提高到了92%，节省了大量的防突措施工程量，争取了大量的有效掘进、回采时间。造穴前后效检情况对比如图4所示。

图4 造穴前后效检情况对比

4.4 掘进工作面掘进速度考察

考察水力造穴控制区域的煤巷掘进，防突指标效检合格率大幅度提高，不需要再重复进行局部防突措施补充，抽采效率同比提高，掘进过程中，风流中浓度大幅度降低，杜绝了局部风流超限现象，掘进工作面的防突措施孔也由常规的40个左右减少到目前15～20个左右，综合以上情况，防突工程量减少、抽采效率提高、防突效检合格率提高，综合表现为掘进速度提高，统计了3个月的掘进进尺，月掘进进尺依次为75 m、82 m、80 m；对比常规措施区域月进尺50 m，效果提高了58%，其他各项参数明显同比改善。造穴前后掘进速度对比见表3。

表3 造穴前后掘进速度对比

4.5 经济效益分析

使用水力造穴措施后，在影响范围内，煤体物性得以改善，含水量增加、塑性增强，裂隙沟通形成网络，透气性增加，使得瓦斯抽采半径增加，在对应掩护掘进条带的35 m范围内，防突钻孔工程量减少了50%以上，瓦斯抽采效率提高，防突指标效检一次合格率提高20%，期间因瓦斯浓度降低，通风、供电、效检等费用大幅度降低，预计一次循环施工可带来直接经济效益18万元。

5 结语

(1)水力造穴成套装备履带平台承载，方便灵活，能提供26 MPa左右高压力、200 L/min大流量动力输出，在预定造穴段变径造穴，孔穴范围为1 m，直径0.6～1 m的类圆柱状空间，降低了地应力；平均单穴卸出煤量1 t，区域煤体卸出率7.5‰，形成新裂隙、沟通原有煤体裂隙，形成裂隙网络，增加煤层透气性。

(2)水力造穴措施控制区域，瓦斯抽采效率大幅度提高，在瓦斯浓度30%以上维持22 d以上，单孔抽采纯量最大0.83 m3/min，一次有效预抽率为35%，降低了水力造穴措施区域煤层瓦斯含量，消弱了瓦斯膨胀能。

(3)水力造穴措施控制区域防突指标K1效检一次合格率90%左右，防突指标效检超标率明显下降，节省了大量的防突措施工程量，掩护煤巷掘进进尺也由常规措施区域的50 m/月提高到79 m/月，粗略计算，一个造穴循环节省直接防突成本18万元以上，为矿井绿色发展提供了支持。