穿层高压水力冲孔造穴增透消突技术探讨

赵建栋

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000）

对于煤与瓦斯突出矿井，大多数煤层存在低透气性［1-2］。常规方法是采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯，但是由于煤层透气性差，导致瓦斯抽采量有限［3］。为了实现煤巷高效安全掘进，在玉溪煤矿中央辅助运输大巷进行了穿层高压水力冲孔造穴消突技术试验。

1 矿井概况

玉溪煤矿位于山西省晋城市西北部，沁水煤田腹地，井田面积26.147 km2。主要开采3#煤层，可采储量142.29 Mt，瓦斯资源丰富，资源总量为41.86亿立方米，其中西北片区为瓦斯富集区。3#煤层煤尘无爆炸性，不易自燃。3#煤层最大原始瓦斯含量为18.32 m3/t，最大原始瓦斯压力为1.42 MPa，瓦斯放散初速度指标△P为25.2～27.8，煤的坚固性系数f在0.45～1.09之间。邻近的胡底、寺河矿井西区3#煤层有突出危险，故玉溪煤矿3#煤层需要进行消突治理。

2 高压水力冲孔造穴施钻工艺

1）技术原理

将钻机钻进技术与射流割缝冲孔技术有机结合起来，打钻使用低压水正常钻进，当钻孔穿透煤层后，将高压射流装置至于全煤段中，利用高压水进行全煤段冲孔造穴。在这一过程中会排出大量软煤和瓦斯，在煤体中形成孔洞，产生卸压区，从而提高卸压效果。

2）施钻工艺

整套设备包括ZDY4500LXY钻机、高压清水泵车、煤水分离机。钻具包括螺旋高压密封钻杆、高压旋转接头、水力冲孔转换接头、钻头等。整套钻具实现低压水钻孔，高压水冲孔造穴。

首先正常施工钻孔，钻孔需穿出煤层0.5 m，通过数钻杆的方式，记清楚煤孔段的长度，钻孔施工完毕后，将清水泵车出水压力调至26 MPa，高压射流装置对全煤段进行冲孔，钻机保持低速旋转，钻杆长度为1 m，反复缓慢的推拉钻杆，时间保持在2个小时，直至全煤段冲孔结束（见图1）。

图1 穿层钻孔工艺

3 现场试验钻孔布置及效果分析

3.1 水力冲孔钻孔布置

在中央辅助运输大巷800 m处，三联巷以北，12#～13#钻场之间，直接在巷道中向巷道东帮施工打设穿层钻孔实施水力冲孔造穴，见图2。中央辅助运输大巷为半圆拱形断面，净宽5.4 m，净高4.3 m。共施工3个孔，其中1、3号孔进行冲孔造穴，2号孔为普通抽采钻孔，与造穴钻孔进行比较，分别对3个孔流量、负压、浓度进行监测。

2018年4月5日首先施工2号孔（未进行造穴），4月6日4点班对1号孔进行冲孔造穴，4月8日4点班对3号孔进行冲孔造穴。钻孔参数见表1。

图2 冲孔造穴钻孔布置

表1 测试孔冲孔造穴参数

3.2 水力冲孔效果分析

2号钻孔瓦斯抽采工作于4月6日0点班施钻结束开始，截止4月17日8点班累计抽采瓦斯纯量66.35 m3，平均瓦斯浓度为2.4%，抽放负压为13.7 kPa，抽采混合量为0.16 m3/min，抽采纯量为0.00384 m3/min。

1号钻孔抽采工作于4月7日开始，截止4月17日8点班累计抽采瓦斯纯量475.2 m3，平均瓦斯浓度为14.9%，抽采负压为13.1 kPa，抽采混合量为0.23 m3/min，抽放纯量为0.03 m3/min。

3号钻孔抽采工作于4月9日0点班开始，截止4月17日8点班累计抽采瓦斯纯量777.6 m3，平均瓦斯浓度为28.4%，抽采负压为13.7 kPa，抽采混合量为0.23 m3/min，抽采纯量为0.06 m3/min。

根据现场水力冲孔造穴试验情况分析，煤层顶板软分层（距煤层顶板1 m）及煤层底板破碎煤层（距煤层底板2 m）位置，出煤量较大，煤层中部因煤层较硬冲孔造穴处出煤量基本无变化。

根据图3、图4分析可得，对比冲孔造穴钻孔（1和3号孔）与未造穴钻孔（2号孔），造穴钻孔瓦斯抽采浓度、纯量有明显提高，1号孔抽采纯量是2号孔的7.8倍，3号孔抽采纯量是2号孔的15.6倍。同时，水力冲孔对煤层有一定程度卸压作用。

图3 中央辅运大巷造穴钻孔瓦斯抽采浓度对比

图4 中央辅运大巷造穴钻孔瓦斯抽采纯量对比

4 结语

现场实测数据表明，水力冲孔造穴效果明显，钻孔抽采瓦斯量提高了7到15倍，冲出的软煤达到2～2.5 t，使孔洞周围煤体得到不同程度的卸压。因此，穿层高压水力冲孔造穴技术对煤层瓦斯快速抽采和煤层卸压消突可以起到显著效果。