水力造穴技术在底板岩巷消突工程的应用

刘向忠

(山西焦煤集团有限责任公司 东曲煤矿， 山西 古交 030200)

山西焦煤集团公司东曲煤矿是西山矿区3个高突矿井之一，主要可采煤层(2#、4#、8#和9#煤层)均为突出煤层。其中，2#、4#煤为上组煤，8#、9#煤为下组煤，均为近距离煤层。 随着矿井由+973 m水平向+860 m水平的延伸，尤其是即将进入采掘活动的九采区上组煤，煤层原始瓦斯压力为0.4～1.6 MPa，原始瓦斯含量高达11～12 m3/t，远超突出临界值，是矿井当前瓦斯压力最大、瓦斯含量最高和煤层埋深最深的采区。因此，九采区上组煤安全高效的消突方案是采掘活动开始前的首要难点与重点，对矿井的深部开采具有重要意义。

1 九采区上组煤概况

2#煤层厚度1.46～2.11 m，平均煤厚1.80 m,煤层倾角3°～8°，煤层结构简单，局部有夹矸，属稳定型煤层；4#煤层厚度1.06～2.00 m，平均煤厚1.48 m,平均倾角3°，煤层结构简单，属稳定型煤层。盖山厚度为267～374 m，地面标高为1 017～1 264 m. 九采区上组煤位于突出危险区，须同时对2#、4#煤层进行消突。

2 底板岩巷穿层钻孔消突方案

2.1 底板岩巷位置

22906轨道顺槽为设计的首掘煤巷，位于2#煤层，下方4#煤层中外错30 m布置24906轨道顺槽为次掘煤巷。根据4#煤层下部岩性(见图1)，确定在4#煤层底板下方岩层中先布置一条岩巷，内错22906轨道顺槽30 m布置，距4#煤层平均间距8 m.

图1 4#煤层下部岩层柱状图

2.2 钻孔参数

在钻孔参数设计时考虑到煤层赋存情况、钻孔的有效抽采范围等因素，在底板岩巷内布置穿层钻孔预抽2#煤层、4#煤层的条带煤层瓦斯，钻孔有效抽采半径按2.5 m计算，需每隔5 m施工一组钻孔。为了确保钻孔覆盖范围无空白带，经多次优化，呈扇形布置，每组12个孔，孔径113 mm，单个钻场钻孔进尺合计582 m(见表1，图2). 底板岩巷设计长度1 030 m，钻场数量206个，钻孔总进尺119 892 m.

2.3 穿层钻孔消突方案优缺点

1) 安全性方面：在底板抽采巷施工穿层钻孔，有抽采空间，安全可靠性较高。

2) 钻孔成孔率方面：钻孔长度较短，钻孔施工容易；由于钻孔长度较短，钻孔偏离设计方向较小，容易保证钻孔均匀布置[1-2].

表1 底板岩巷穿层条带钻孔参数表

图2 底板岩巷穿层钻孔布置图

3) 瓦斯治理时间方面：九采区上组煤是矿井准备区，首掘面的顺槽掘进时间为2020年9月，穿层钻孔完工时间为2019年6月，预抽时间为15个月，有充足的消突和瓦斯治理时间，抽采效果较好，且今后的掘进巷道可以一次到位，避免了抽掘衔接紧张的局面。

4) 经济性方面：底板岩巷既能作为掩护顺槽掘进的区域消突巷道，又能作为工作面回采期间的瓦斯治理巷，同时还能作为今后下部8#煤层采煤工作面的高抽巷使用，实现“一巷多用”目的。

3 水力造穴增透技术

矿井各煤层的透气性系数偏低，处于0.362～1.215 m2/MPa2·d，其中2#煤层为0.641 m2/MPa2·d，4#煤层为1.215 m2/MPa2·d，属于可抽采煤层，但是影响瓦斯预抽效果。为了进一步提升底板岩巷穿层消突钻孔的预抽效果，引进水力造穴增透技术。

3.1 水力造穴原理

1) 主要是利用钻冲一体化成套装备完成，采用清水泵配合高低压转换冲孔造穴装置实现不退钻杆钻进、冲孔造穴的功能。

2) 常规钻进时，采用系统静压水，高低压转换冲孔造穴装置前端打开，完成正常钻进供水排渣。冲孔作业时，连接清水泵供水，高压状态下，高低压转换冲孔造穴装置前端封闭，侧部出水孔形成高压水射流，实现冲孔造穴功能。

3) 装置工作压力可达到18 MPa，高压水对煤体进行冲孔造穴，在煤体中形成一定宽度和高度的不规则缝槽，最大可形成直径 1 m的空间，从而提高煤层的透气性和瓦斯释放速度，缩短评价周期。

3.2 水力造穴一体化装备

ZDY4500LXY型煤矿用履带式液压钻机、BQWL200/31.5型高压清水泵站、d73 mm三棱高压密封钻杆、d113 mm钻头、送水装置、耐高压密封旋转接头、三防装置、高低压水射流转换装置及移动式排水仓。

3.3 方案设计

考虑到前期选择部分钻孔进行考察时，由于单孔抽采流量较小、抽采变化特征不明显，选定5组(60个钻孔)为一个考察单元，共两个单元，其中一个单元施工的所有钻孔进行水力造穴，另一个单元施工的穿层钻孔不进行水力造穴，通过放大基数确保考察工作顺利。同时，兼顾单孔抽采效果变化考察需求，每一单元的5组钻孔，均选择穿煤段较长的4号孔观测单孔浓度、流量等参数，一旦具备分析条件，一并予以分析报告。

为避免两个单元的钻孔施工时间不影响抽采数据分析，设计现场每施工完一个钻孔后关闭孔口阀门、暂不接抽，待同一单元的所有钻孔施工完毕后集中带抽。为进一步凸显抽采效果随时间变化趋势，设计按接抽30天、60天分别进行考察分析。

3.4 抽采效果考察分析

3.4.1抽采浓度分析

1) 单元混合抽采浓度衰减。

从每一单元混合抽采浓度数据来看，经历了抽采初期(造穴钻孔10天左右，非造穴钻孔30天左右)的瓦斯源相对丰富期(关闭钻孔控制阀门，孔内积聚有一定量的瓦斯)，后期呈现出抽采负压升高、抽采浓度下降的趋势。

造穴钻孔抽采浓度受抽采负压变化的时间提前，表明冲孔造穴工艺加剧了包括钻孔封孔段所在围岩体的松动卸压速度(也有可能包括范围)，即今后需维持更长时间的高浓度抽采，需考虑进一步提高造穴钻孔封孔质量，包括对周边围岩体进行一定的封堵。

2) 单元混合抽采浓度横向对比。

造穴钻孔前30天混合抽采浓度18%～30%，平均浓度26.3%；前60天混合抽采浓度18%～32%，平均浓度28.2%. 非造穴钻孔前30天混合抽采浓度18%～30%，平均浓度25.8%；前60天混合抽采浓度18%～35%，平均浓度30.2%.

3.4.2单元抽采瓦斯纯量分析

造穴钻孔前30天日抽采纯量0.103～0.448 m3/min，日平均抽采纯量0.287 m3/min；前60天日抽采纯量0.103～0.448 m3/min，日平均抽采纯量0.298 m3/min.

非造穴钻孔前30天日抽采纯量0.096～0.230 m3/min，日平均抽采纯量0.162 m3/min；前60天日抽采纯量0.096～0.230 m3/min，日平均抽采纯量0.150 m3/min.日抽采纯量曲线见图3，图4.

图3 30天内日抽采纯量变化曲线图

图4 60天内日抽采纯量变化曲线图

数据表明，抽采30天内造穴钻孔日平均抽采纯量是非造穴钻孔的1.8倍，抽采60天内造穴钻孔日平均抽采纯量是非造穴钻孔的2.0倍，即水力造穴钻孔瓦斯抽采纯量有明显增加，并且随着抽采时间的延长，二者差距进一步增加。通过图4清晰可见，造穴钻孔所在单元每日抽采瓦斯纯量明显高于非造穴钻孔(初期单日瓦斯抽采纯量变化较大与钻孔接抽前封闭、孔内积聚一定量的瓦斯有关)。

3.4.3单元累计瓦斯抽采纯量分析

造穴钻孔前30天累计抽采瓦斯12 418.56 m3，前60天累计抽采瓦斯25 741.44 m3；非造穴钻孔前30天累计抽采瓦斯6 999.84 m3，前60天累计抽采瓦斯12 997.44 m3.

相比日抽采瓦斯纯量、平均抽采瓦斯纯量变化趋势，逐日累计抽采瓦斯量变化趋势更加明显，考察单元内抽采瓦斯纯量明显大于非造穴钻孔。

3.4.4瓦斯流量衰减情况分析

造穴钻孔最大抽采混合流量为1.968 m3/min(第4天)，第30天后衰减到1.098 m3/min，瓦斯流量衰减系数0.021 6-d；第60天后衰减到1.052 m3/min，瓦斯流量衰减系数0.011 0-d. 非造穴钻孔最大抽采混合流量为0.932 m3/min(第5天)，第30天后衰减到0.495 m3/min，瓦斯流量衰减系数0.024 3-d；第60天后衰减到0.41 m3/min，瓦斯流量衰减系数为0.014 7-d. 60天内考察单元逐日瓦斯流量衰减系数,见图5.

图5 逐日瓦斯流量衰减系数变化曲线图

数据表明，造穴钻孔的瓦斯流量衰减系数略小于非造穴钻孔，差别在0.003-d左右。同时，虽然通过造穴增透提升了瓦斯抽采纯量，但钻孔流量衰减系数仍未突破0.003-d(最低0.011 0-d)，表明造穴增透本质上未改变煤体可抽性质，仍维持在可抽采状态，未实现由可抽到易抽的转变。

4 结 语

1) 在东曲煤矿实施底板岩巷穿层钻孔消突技术符合矿井实情，实现了抽采工程与煤巷掘进工程的分离，达到了安全高效消突的目标。

2) 水力造穴实现了增透效果。通过逐日累计抽采瓦斯纯量，造穴钻孔明显大于非造穴钻孔，对今后改善预抽效果、实现快速消突有着现实意义。

3) 实现高浓度、高效抽采，需进一步改进水力造穴钻孔封孔工艺，提高封孔质量，改善孔口周边围岩体(煤体)的封闭条件。该方案主要考察瓦斯浓度、瓦斯流量及瓦斯流量衰减情况，并未对水力造穴工艺条件下瓦斯压力下降幅度或残余瓦斯压力变化，包括抽采有效、影响半径情况进行分析，下一步继续进行相关考察，为更好地推广该工艺进行准备。