水力造穴技术在本煤层瓦斯抽采中的应用

吴艳波

（潞安集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

慈林山夏店煤矿主采的3#煤层瓦斯坚固性系数f 值为0.48~0.71，矿井瓦斯最大绝对涌出量为42.51m³/min，最大相对涌出量为13.99m³/t，透气性系 数0.62276~0.77965m²MPa²•d， 百 米 钻 孔 衰 减 瓦斯涌出强度0.061m³/min.hm，抽采半径1.43m。属于较难抽采-可以抽采煤层，3119 工作面瓦斯绝对涌出量6.5m³/min，瓦斯含量为10m³/t，瓦斯压力为0.27MPa。矿井工作面瓦斯治理措施以顺层钻孔预抽煤层瓦斯为主，采用顺层钻孔对回采工作面进行预抽时，钻孔施工量大，抽采效率低，导致抽采达标时间长。因此，为增加煤层透气性，提高顺层钻孔抽采流量，快速降低煤体瓦斯含量，节约抽采达标时间，夏店煤矿在抽采过程中采用了水力造穴技术。

1 水力造穴技术原理

水力造穴主要利用高压水力射流，通过对煤层进行扩孔造穴，增加煤体暴露面积，给煤层内部卸压，为瓦斯释放和流动创造良好的条件，洞穴周围的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大了煤层的透气性。水力造穴可大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，既可削弱或消除突出的动力，起到防突作用，又提高煤层透气性和瓦斯释放能力，提高钻孔抽采量。高压水力射流技术原理是利用高低压转换造穴装置内部活塞的移动来实现前端出水与喷头出水。低压水作用在活塞上，活塞不产生位移，水流通过该装置从钻头前端流出，达到冷却钻头和排渣的目的。高压水作用在活塞上，活塞产生位移，前端通道被密封，水流在装置内部形成高压，从射流喷头处喷射。高压水经过射流喷头后被再次加速，喷射出的高压水流冲击煤体，破坏煤层原有的状态，使钻孔周围煤体脱落形成洞穴，煤层中储存的瓦斯得以释放并沿钻孔排出，以达到提高瓦斯释放效率的目的。高压水射流冲击破碎煤体概念模型如图1 所示。

图1 高压水射流冲击破碎煤体概念模型

2 水力造穴技术工艺

2.1 水力造穴技术设备

夏店煤矿在N101 工作面及3119 运巷里段进行水力造穴试验，水力造穴设备由1 台ZDY4500LXY煤矿履带式液压钻机、一台高压BQWL200/31.5-XQ200/12 清水泵站、KFS-50/11 矿用振动筛式固液分离机、配套钻具及其他附属装置等组成。

2.2 工艺流程

2.2.1 施工顺序

开钻前准备→固定钻机→钻进施工→水力造穴→退钻→扩孔→封孔并网→移钻机。

2.2.2 施工方案

在3119 工作面运巷里段预抽第一单元迎头与第二单元迎头分别布置两排水力造穴钻孔，共计9个（上排5 个，下排4 个）。钻孔距底板1.3m、2.0m，距两帮0.9m、1.7m，单孔深度300，造穴深度150m。上排孔每孔造穴22 个，下排孔每孔造穴21 个。N101 工作面及3119 工作面顺层钻孔布置（以3119 工作面为例）示意图如图2 所示，迎头水力造穴示意图如图3 所示。第一个造穴孔距孔底3m，造穴长度1m，造穴间距5m，距孔口20m 位置停止造穴。夏店煤矿水力造穴钻孔施工完成情况统计如表1 所示。

3 效果分析

3.1 迎头水力造穴钻孔抽采数据分析

工作面迎头水力造穴钻孔施工完成后进行并网抽采，在钻孔与支管间安装一套汇流管监控装置连续对钻孔抽采数据进行监测。通过对抽采数据进行分析得出：

（1）汇流管抽采浓度维持在30%~45%，基本无较大变化，至20d 后抽采浓度下降维持在30%~35%，无较大变化。瓦斯抽采浓度曲线如图4所示。

（2）汇流管并网抽采初期流量逐步增大，由2.3m³/min 增大至4m³/min，并趋于稳定。

（3）汇流管并网抽采初期抽采量逐步增大，由1.02m³/min增大至1.6m³/min并趋于稳定，至20d 后抽采量减少至1.3m³/min 并趋于稳定。

（4）预抽42d 后生产期间工作面瓦斯涌出量和预抽前工作面瓦斯涌出量对比下降50%，煤体瓦斯含量下降1.68m³/t。

图2 3119 工作面顺层钻孔布置示意图

图3 工作面迎头水力造穴钻孔示意图

表1 夏店煤矿水力造穴钻孔施工完成情况

图4 3119 运巷里段水力造穴钻孔浓度曲线图

3.2 N101回巷水力造穴效果分析

（1）1#汇流管抽采浓度维持在85%~96%，基本无较大变化；2#汇流管刚开始单个钻孔浓度为80%~95%，并网钻孔逐渐增多后，抽采浓度下降维持在65%~75%，无较大变化。N101 工作面水力造穴钻孔浓度曲线图如图5 所示。

图5 N101 工作面水力造穴钻孔浓度曲线图

（2）1#汇流管并网抽采初期流量逐步增大，由0.02m³/min 增大至1.2m³/min，至10d 后流量减小至0.1m³/min 并趋于稳定；2#汇流管并网抽采初期流量逐步增大，由1.2m³/min 增大至1.9m³/min 并趋于稳定。

（3）1#汇流管并网抽采初期抽采量逐步增大，由0.02m³/min 增大至1.05m³/min，至10d 后流量减小至0.1m³/min 并趋于稳定；2#汇流管并网抽采初期抽采量逐步增大，由0.8m³/min 增大至1.3m³/min并趋于稳定。

4 结论

（1）采用水力造穴技术抽采一段时间后，工作面迎头瓦斯抽采浓度稳定在30%~35%，抽采量稳定在1.3m³/min；工作面巷道抽采浓度稳定在65%~75%，1#汇流管并网抽采流量稳定在0.1m³/min，2#汇流管并网抽采流量稳定在1.9m³/min。

（2）工作面水力造穴钻孔预抽时间为2 个月，预抽后生产期间工作面瓦斯涌出量和预抽前瓦斯涌出量对比下降50%，煤体瓦斯含量下降1.68m³/t。可知水力造穴技术能增加煤层透气性，增加钻孔内新暴露煤体抽采面积，降低煤体瓦斯含量，提高钻孔抽采量，提高瓦斯抽采效率。