冲孔卸压抽采技术在突出煤层瓦斯治理中的应用

关瑞斌

摘 要：为了提升突出煤层瓦斯治理效率，增加采面回采巷道掘进速度，在9141底板瓦斯抽放巷内施工水力卸压钻孔对突出煤层进行增透，并对水力冲孔卸压钻孔布置进行设计，有效提升了煤层瓦斯抽采效果。结果表明，采用水力冲孔卸压技术后，瓦斯钻孔流量、浓度为普通穿层瓦斯抽采钻孔流量的2倍以上，流量衰减系数为未冲孔卸压瓦斯抽采钻孔的52%;9141回风巷在水力冲孔卸压段月进尺可达85 m，进尺量较普通穿层钻孔抽采段增加35 m。

关键词：突出煤层;卸压冲孔;瓦斯抽采;煤层透气性

中图分类号：TD712.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0061-03

Abstract： In order to improve the gas control efficiency of outburst coal seam and increase the driving speed of mining roadway， hydraulic pressure relief boreholes were constructed in 9141 floor gas drainage roadway to increase the permeability of outburst coal seam， and the layout of hydraulic punching pressure relief boreholes was designed， which effectively improved the coal seam gas drainage effect. The results show that the flow and concentration of gas drilling hole are more than two times of that of ordinary through layer gas drainage hole， and the flow attenuation coefficient is 52% of that of non through layer gas drainage hole; the monthly footage of 9141 return air roadway in the pressure relief section of hydraulic punching hole can reach 85 m， and the footage is 35 m higher than that of ordinary through layer drilling hole.

Keywords： outburst coal seam;pressure relief punching;gas drainage;coal seam permeability

煤炭在可预见的一段时间内将会是我国的主要能源。随着开采强度不断增强，我国突出矿井数量不断增加，开采的突出煤层存在瓦斯治理难度大、煤层透气性差等问题。因此，采用合适的煤层增透技术提升煤层透气性对提升矿井安全生产能力具有重要的现实意义[1]。水力冲孔卸压是一种煤层增透技术，近年来在突出矿井中应用较为广泛[2-3]。本文以某矿开采的9号突出煤层瓦斯治理为工程背景，采用水力冲孔卸压增透技术来提升煤层透气性，提高瓦斯治理效果，从而实现煤层消除目的，现场应用取得显著效果。

1 水力冲孔卸压增透机理

水力冲孔卸压增透是通过在煤体中注入高压水破碎煤体，以使煤体出现一定程度膨胀变形，从而达到突出煤层卸压、瓦斯能及弹性能释放，增加煤层透气性目的;高压水作用到煤体上后煤体出现塑性变形，同时会产生新的次生裂隙，增加瓦斯运移通道[4-5]。煤体内裂隙及湿度增加后，可以起到消除煤层瓦斯突出动力、避免采掘活动中出现煤与瓦斯突出的作用。在水力卸压增透过程中，煤体内应力重新分布以及产生的新裂隙会打破原有的瓦斯吸附-解析平衡，更多的吸附瓦斯转变成游离瓦斯，游离瓦斯通过缝隙、瓦斯抽采钻孔排出，大幅降低煤岩体内的瓦斯膨胀能及弹性潜能，增加煤体透气性[6]。

2 水力冲孔卸压增透设备

煤矿井下采用的水力冲孔卸压增透设备包括高压密封钻杆、喷嘴、钻冲一体化钻头、防瓦斯超限设备、液压钻机等。其中，喷嘴是在钻孔内形成高压射流水的关键设备，主要用以对煤体进行破碎、切割及清洗;钻冲一体化钻头是煤层水力冲孔卸压中的关键设备，主要包括冲孔短节、PDC钻头，依据高压水差异实现钻孔钻进、煤层冲孔转换，显著提升水力冲孔设备的作业效率[7];采用的高压密封钻杆可以承受30 MPa压力。水力冲孔卸压增透设备具体的设备构成见图1。

3 现场应用分析

3.1 工程背景

某矿9141开采9号煤层，煤層结构较为复杂，采面总体位于背斜构造上覆，回风巷平行邻近的DF92（H=10～36 m，186°∠56°）断层与距断层平距在40 m。由于受到区域地质构造影响，煤层倾角平均为21°，煤厚平均为6.9 m，煤层原始瓦斯含量为11.92 m3/t、瓦斯压力为1.05 MPa，煤层透气性较差，属于突出煤层。在采取水力冲孔卸压技术前，矿井原采用的瓦斯治理措施是通过在底板瓦斯抽采巷中施工穿层钻孔进行区域消突，但抽采3个月后煤层瓦斯含量仍达到8.13 m3/t、瓦斯压力为0.58 MPa，未完全消除煤层瓦斯突出的危险性。

3.2 冲孔卸压钻孔设计

在9141底板瓦斯抽放巷内布置水力冲孔卸压钻孔，根据《煤矿安全规程》等要求，布置的钻孔应控制在9141回采巷道掘进轮廓线上、下帮各15 m的范围。经过前期试验，矿井穿层有效抽采半径为2.5 m，因此在9141底板瓦斯抽放巷每隔4.8 m布置一组穿层瓦斯抽放钻孔抽采瓦斯。由于受到临近的DF92（H=10～36 m，186°∠56°）断层影响，煤层瓦斯含量高且抽采困难，因此在两组穿层钻孔间布置一组水力卸压钻孔，具体钻孔布置如图2所示。卸压钻孔孔间距为400 mm，倾角为33°～60°，孔深在43～85 m，钻进穿越煤层顶板0.5 m以上。

前期测试得到的水力卸压钻孔影响半径为6.8 m，因此每隔6.8 m布置一组水力卸压钻孔，最终实现水力卸压钻孔终孔为6.8 m，在每个钻场内布置5个水力卸压钻孔。为了强化瓦斯抽采效果，在9141采面回风巷掘进区域内将水力卸压钻孔间距缩短至3.8 m。

3.3 冲孔工艺

采用114 mm钻头施工卸压钻孔，并按照预先设计的方位角、倾角及开孔位置钻进，钻进过程中应详细记录排渣情况，并准确判定钻进的煤层位置。钻孔冲孔之前，要在孔口安装防喷装置，并将喷嘴送至指定冲孔位置，冲孔压力设定为18 MPa，冲孔从孔底向孔口方向进行。冲孔完毕后立即进行封孔，封孔效果直接影响后续瓦斯抽采效果。采用两堵一注方式进行封孔，具体为在钻孔封孔段两端各采用0.5 kg聚氨酯进行封堵，在中间充填膨胀水泥，具体封孔结构见图3。

当施工的穿层钻孔长度在15 m以内时对全岩段进行封孔，当钻孔长度在15 m以上时，封孔长度为12 m。封孔完毕后采用10 cm软管与井下布置的瓦斯抽采管连接，待膨胀水泥凝固后（24 h）开始接抽瓦斯。

3.4 冲孔卸压效果分析

在9141采面底抽巷内水力冲孔卸压段记录瓦斯抽采效果，并选取有代表性的5个瓦斯抽采钻孔与未进行水力冲孔的瓦斯抽采钻孔（7号）进行比对分析，具体瓦斯抽采钻孔流量、浓度监测结果如图4所示。

从图4（a）可以看出，对煤层进行水力冲孔卸压后，瓦斯抽采钻孔最大流量可达0.073 m3/min，显著高于未冲孔的7号瓦斯抽采钻孔流量（0.036 m3/min）。随着瓦斯抽采钻孔接抽时间的增加，钻孔瓦斯抽采流量逐渐衰减。接抽30 d后实施水力冲孔卸压的瓦斯抽采钻孔平均流量为0.038 m3/min、衰减系数为0.0613 d-1;而未进行冲孔卸压的7号瓦斯抽采钻孔流量衰减至0.008 m3/min、衰减系数为0.0347 d-1。可见，水力冲孔卸压后的瓦斯抽采钻孔平均流量是未进行水力冲孔卸压瓦斯抽采钻孔的4倍以上，流量衰减系数为未冲孔卸压瓦斯抽采钻孔的52%。

从图4（b）可以看出，水力卸压冲孔后钻孔瓦斯抽采浓度约为未水力冲孔卸压的瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采浓度的200%，通过水力卸压，冲孔瓦斯抽采钻孔周边裂隙发育，瓦斯涌出量增加，瓦斯抽采浓度显著提升。

在突出煤层中采用水力冲孔卸压技术可以增加瓦斯抽采钻孔周边煤体的裂隙，更多吸附的瓦斯转换成游离瓦斯并通过相互贯通的裂隙被抽采出，实现提高煤层透气性、消除煤层突出危险性的目的。在9141回风巷掘进期间，对采用水力冲孔卸压段煤层瓦斯残余含量进行测定，测得的煤层瓦斯含量最大为4.53 m3/t。

4 结论

第一，水力冲孔卸压技术操作简单，可以增加煤体内裂隙以及煤体润湿程度，增加钻孔周边煤体卸压范围，提高瓦斯抽采半径，采用水力冲孔卸压后的瓦斯钻孔流量、浓度为普通穿层瓦斯抽采钻孔流量的2倍以上，流量衰减系数为未冲孔卸压瓦斯抽采钻孔的52%。

第二，采用水力冲孔卸压后，瓦斯抽采达标时间缩短至1个月以内，显著缩短突出煤层瓦斯治理时间，同时9141回风巷冲孔段月掘进进尺为85 m，进尺量较普通穿层钻孔抽采段增加35 m。

参考文献：

[1]赵承方，王金宝.基于现场试验的水力冲孔在低透性突出煤层的卸压增透效果研究[J].煤炭与化工，2019（7）：108-111.

[2]張兴权.突出煤层水力冲孔对煤巷支护的影响分析[J].内蒙古煤炭经济，2019（13）：134-135.

[3]张荣. 复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽采方法研究[D].北京：中国矿业大学，2019.

[4]张鹏.水力冲孔预抽瓦斯在胡底煤业的应用[J].煤，2019（4）：52，57.

[5]杨国和.深部突出“三软”煤层卸压增透技术研究[J].煤炭技术，2018（12）：155-158.

[6]吕中奇，王玉杰.单一低渗透突出煤层水力冲孔工艺优化应用分析[J].能源与环保，2018（5）：32-35.

[7]陶云奇，周正涛，徐冬冬.冲孔卸压抽采技术在中马村矿突出煤层中的应用[J].煤矿安全，2018（4）：65-67，71.