顺层钻孔钻冲一体化卸压增透强化抽采技术应用

路 璐

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

松软煤层在阳泉矿区开采煤层中占比大，而松软煤层煤质松软，强度低，渗透性差，瓦斯压力和瓦斯含量往往很高，钻孔抽采是瓦斯治理的有效方法，但松软低透气性突出煤层抽采钻孔施工困难制约了瓦斯抽采。因此，提出了钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采技术。

1 工作面概况

阳泉煤业新景矿3#煤层掘进工作面顺层钻孔钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采技术在3215工作面的北九正巷、3216工作面的南九正巷和副巷、3107工作面的南五正巷和副巷进行试验，试验地点见图1. 这3个回采工作面的煤层坚固性系数均在0.38～0.52，煤层平均瓦斯含量为18.17 m3/t，瓦斯压力为1.3～2.26 MPa，有较大的突出危险性。同时，煤层透气性系数为0.018 8～0.137 7 m2/MPa2·d，瓦斯抽采十分困难，严重制约了巷道的掘进和矿井的安全回采。

图1 水力冲孔造穴技术试验地点图

2 钻冲一体化水力造穴工艺及方案设计

2.1 高压水射流冲孔造穴原理

水射流的冲击压力作用由初始阶段的水锤压力降低到稳定阶段的滞止压力，当水射流作用力小于抗压强度后，煤岩体破碎速度降低，水射流流体逐渐深入到煤岩体裂隙系统中，并沿裂隙向深处传播[1]. 在裂纹尖端和表面附近微裂纹产生应力集中，使其裂隙张开、扩展和延伸，形成一个相互交织的裂隙连通网络，煤体分割造成煤岩体强度降低[2]. 水分浸润对煤岩体强度具有软化作用，导致煤岩体颗粒脱落分离，在煤体中形成孔洞[3]. 水力冲孔造穴对煤体造成的损伤和应力集中会在孔洞处产生卸压区，使得该处渗透率得到大幅提高，从而提高卸压增透效果，实现预抽瓦斯和消突的目的[4].

2.2 水力造穴工艺

钻冲一体化水力造穴技术的施工流程主要包括：

1) 顺层钻孔的施工。在巷道掘进之前，首先打开钻冲两用喷头中的钻进喷头，利用低压水进行钻孔的钻进，见图2a).

2) 后退式水力冲孔造穴。在顺层钻孔施工到设计深度之后，打开两用钻头上的造穴喷头，利用高压水射流进行后退式水力冲孔造穴。开始造穴时，将水泵压力调节到18 MPa，钻机保持低速旋转，缓慢前后推拉1 m范围为1个造穴位置，造穴30 min. 造穴结束后，将水泵压力调至4 MPa以下，再打钻至下一扩孔位置进行第二次造穴，以此实现循环造穴，造穴间距5 m. 见图2b).

3) 封孔及卸压瓦斯抽采。在造穴结束后，采用“两堵一注”的方法对钻孔进行封孔，并对煤层瓦斯进行抽采，见图2c).

图2 水力冲孔造穴瓦斯抽采工艺示意图

2.3 施工方案设计

掘进工作面顺层钻孔具有发散特性：随着钻孔的延伸，钻孔间距逐渐增大。因此，掘进工作面采用顺层钻孔进行瓦斯抽采时，为了保证掘进头前方煤体的顺利消突，往往采用降低掘进循环长度，提高钻孔布置密度等措施。这也造成掘进工作面瓦斯治理成本高，巷道掘进速度慢等问题[5]. 鉴于此，在掘进工作面顺层钻孔钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采技术的施工过程中，充分考虑了钻孔发散特性对瓦斯抽采所造成的影响，根据钻孔间距的不同将掘进工作面的瓦斯抽采范围划分为3个不同的区域，见图3. 在不同的区域内，设计不同的造穴间距，实现掘进工作面的瓦斯安全高效抽采。

图3 掘进工作面顺层钻孔分区示意图

1) Ⅰ区域。

位于抽采范围前方60～80 m，该区域钻孔间距最大，瓦斯抽采难度也最大，因此在该区域瓦斯抽采过程中选用最大的钻孔半径。由钻孔周围煤体的瓦斯流动特征可知：随着钻孔半径的增加，钻孔的瓦斯抽采半径逐渐增大[6]. 但是考虑到现场的施工情况，钻孔半径过大将会对巷道掘进造成影响。因此，在新景矿的实际施工过程中，Ⅰ区域采用的钻孔半径为0.4 m.

2) Ⅱ区域。

位于巷道前方40～60 m，该区域钻孔间距适中。安全起见，该区域钻孔半径按照掘进工作面前方60 m处的钻孔法向间距进行设计。

3) Ⅲ区域。

位于巷道前方20～40 m，该区域钻孔间距最小。该区域的钻孔半径采用40 m处的钻孔间距进行设计。

造穴出煤量是保证冲孔造穴质量的关键，也是提高煤体卸压增透效果的重要前提。因此，对3个区域出煤量提出了设计要求，见表1.

表1 造穴区域参数设计表

3 瓦斯抽采及卸压增透效果考察

3.1 瓦斯抽采效果对比

1) 瓦斯抽采浓度和抽采纯量对比。

在南五掘进工作面顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯抽采和北九掘进工作面第四循环顺层钻孔水力冲孔造穴瓦斯抽采技术的施工过程中，对每个掘进工作面的瓦斯抽采数据均进行了监测，两个掘进工作面的瓦斯抽采数据监测结果见图4.

图4 水力造穴瓦斯抽采与普通钻孔对比情况图

在南五掘进工作面预抽煤巷条带瓦斯抽采过程中，虽然钻孔数目大于北九水力冲孔造穴瓦斯抽采工作面的钻孔数目，但瓦斯抽采流量和浓度远低于水力冲孔造穴瓦斯抽采工作面。该工作面的瓦斯抽采平均瓦斯抽采浓度约为3%左右，但水力冲孔造穴工作面的瓦斯抽采浓度可达30%以上，提高10倍；在瓦斯抽采纯量方面，预抽条带瓦斯掘进工作面的瓦斯抽采纯量约为0.15 m3/min，水力冲孔造穴掘进工作面的瓦斯抽采纯量可达1.0 m3/min, 约提高6倍。

2) 瓦斯抽采总量及瓦斯抽采率。

北九掘进工作面和南五掘进工作面的原始瓦斯含量均约为17 m3/t，但是南五掘进工作面经过45 d的瓦斯抽采，共抽出瓦斯约1.8万m3，瓦斯抽采率约20%；北九掘进工作面经过20 d(打钻过程10 d，单孔打钻完成后即对该孔进行抽采)的瓦斯抽采，共抽出瓦斯约4.9万m3(含造穴过程中风排1.1万m3瓦斯)，瓦斯抽采率达到39%，与原来相比提高约2倍。

3.2 残余瓦斯含量及钻屑解吸指标对比

1) 残余瓦斯含量。

在南五正巷采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯抽采技术后，南五正巷实测残余瓦斯含量最大值为13.04 m3/t，证明该循环瓦斯抽采效果较差。相反，北九正巷第四循环经过20 d(含钻孔施工过程10 d)的瓦斯抽采后，实测的残余瓦斯含量最大值为10.78 m3/t，均小于11.0 m3/t(残余瓦斯含量临界值)，说明该循环瓦斯抽采已经达标。上述两个循环的残余瓦斯含量测定结果表明，采用顺层钻孔钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采技术后，新景矿3#煤层的瓦斯抽采效果明显改善。

2) 钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标。

在南五掘进工作面顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯抽采过程中，随着巷道的掘进，实测的钻屑瓦斯解吸指标逐渐增大，这是由于掘进工作面钻孔的发散特性所导致的。沿着巷道的掘进方向，钻孔的间距逐渐增大，瓦斯抽采越来越困难，因此巷道掘进过程中钻屑瓦斯解吸指标逐渐增大。在巷道掘进至30 m之后，钻屑瓦斯解吸指标开始超标，此时需要补充局部防突措施。

在北九正巷掘进工作面采用顺层钻孔钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采结束后，由于每个区域的出煤量均是相同的，因此巷道在每个区域的掘进过程中钻屑瓦斯解吸指标均降低到临界值以下，可以保证整个巷道的施工安全。掘进过程中实测的钻屑瓦斯解吸指标数据见图5.

图5 钻屑瓦斯解吸指标对比分析图

4 结 论

1) 结合阳煤新景矿工程实况，对掘进工作面的钻冲一体化水力造穴技术施工工艺流程进行完善，根据钻孔发散特性将掘进工作面的瓦斯抽采范围划分为3个不同的区域，设计制定了水力造穴施工方案。

2) 新方案的瓦斯抽采循环长度由原来的60 m提高到80 m，瓦斯抽采钻孔个数由原来的49个降低为20个，巷道掘进的月进度由原来的20 m提高到60 m，施工效率得到极大提高。

3) 采用水力造穴技术后，瓦斯抽采浓度由原来的3%提高到30%，瓦斯抽采纯量由0.15 m3/min提高到1.0 m3/min，瓦斯抽采率由20%提高到39%，掘进过程中钻屑瓦斯解吸指标始终在临界值以下，瓦斯抽采及卸压增透效果得到改善，保障了突出煤层巷道的安全掘进。