复杂地质条件低渗高突块段底抽巷水力冲孔技术研究与应用

王永安

（郑州煤炭工业（集团）郑新煤业有限公司，河南 新密 452370）

0 引言

近年来，随着矿井开采深度的递增，煤层瓦斯含量和地应力也随之增大，突出危险程度愈加严重，造成治理难度越来越大，治理技术更加复杂，治理成本不断增加，严重影响和制约煤矿的安全生产。目前，主要通过预抽煤层瓦斯来达到区域消突的目的，但煤层的透气性是制约预抽采的瓶颈［1-2］。为提高煤层透气性，开采保护层、水力压裂、CO2爆破、深孔爆破等卸压增透技术被采用，但是这些技术措施在实用性、技术性等方面还存在着一定的不足［3-5］。

水力冲孔卸压增透方面，相关学者进行了一定的研究。杨运峰等［6］采用岩石底板巷水力冲孔，大幅提高了煤层的透气性。王新新等［7-8］研究了潘三矿13-1 煤层的水力冲孔消突效果，认为卸压区域煤层瓦斯含量降低了近70%。刘明举等［9］针对新安矿三软煤层的赋存特点，研究并确定了适合三软煤层赋存特点的水力冲孔方案，并取得很好的消突效果。王兆丰等［10］认为水力冲孔卸压增透消突措施在松软低透煤层中效果显著。王凯等［11］研究了水力冲孔钻孔附近的煤层透气性的变化规律，认为煤层透气性系数与距孔洞的距离呈负相关。许彦鹏等［12］模拟分析了水力冲孔的有效影响范围，进而确定了相关冲孔参数。冯丹等［13］研制开发了水力冲孔物理模拟试验系统，并分析了冲孔后的孔洞形态、等效半径等。

水力冲孔是可以被直接应用的一种卸压增透措施，具有施工工艺简单、消突效果好、成本低、施工周期短等特点。通过钻孔持续的钻进，煤、水及瓦斯混合体能够不断向孔外喷出，钻孔影响范围内的地应力得以降低，孔隙裂隙增加，提高了煤层透气性系数，钻孔周围瓦斯能够被有效解吸和释放，降低了钻孔影响范围内的瓦斯梯度，同时提高了煤体的强度和湿度，改变了煤体的物理力学性质，突出的危险性得以降低和消除［14-15］。

马池煤矿11051 综采工作面位于严重突出危险区内，该区域煤层发育不均匀，不具备保护层开采条件。具有低透气性和易流变性特征，属于低渗高突出块段，煤体中的瓦斯得不到很好的释放，导致抽采半径小，钻孔工程量大，成本高，工期长。为此，开展复杂地质条件低渗高突地区利用水力冲孔技术提高瓦斯预抽效果的研究很有必要，为矿井的防突工作提供技术保障，扭转煤矿安全的被动局面。

1 试验工作面概况

马池煤矿位于白坪井田的西南部，行政隶属登封市白坪乡，主要开采二1煤层，开拓方式为立斜井联合、单水平下山开拓方式。矿井布置有一主提升井、一副斜井和一回风井。11 采区的11051 综采工作面位于井田西翼，专回下山以西，工作面走向长度663 m，煤层厚度为1.8～2.5 m，平均厚度为2.0 m，采用综采支架放顶煤采煤工艺。煤层上部及下部各含夹矸一层，顶夹矸厚0.05～2.10 m，距煤层顶板0.45 m，底夹矸厚0.09 m，距底板0.91 m。矿井等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井，矿井瓦斯绝对涌出量6.25 m3/min，瓦斯相对涌出量9.01 m3/t。

2 水力冲孔影响半径考察

2.1 压降法现场考察

采用压降法，对影响半径进行现场实测考察。通过监测某个测试孔，瓦斯压力比预抽前连续3 次降低10%及以上时，表明该钻孔位置在水力冲孔的有效影响范围之内。符合该条件的测试孔与水力冲孔之间的最远距离，就认为是水力冲孔的有效影响半径。

在掘进巷道的新鲜暴露煤壁处，依次施工2#、3#、4#、5#、6#、7#测试孔和1#水力冲孔，测试孔与1#冲力孔间距分别为5 m、6 m、7 m、7.5 m、8 m、9 m，终孔一个，封闭一个，所有钻孔在每一个钻孔封孔结束后，立即安装压力表测定瓦斯压力。测试孔施工完毕后，待测孔压力上升至稳定值后，将预抽钻孔并入管网抽采。然后开始对1#孔施工水力冲孔，冲孔须冲至孔底，冲孔一段时间后，措施孔内不再有煤渣或返清水后停止冲孔。1#孔冲孔情况记录详见表1。布孔方式如图1所示。

表1 1#考察孔水力冲孔记录表

图1 测试孔布置示意图（单位：m）

由图2 可知，在联网抽采后，观测孔整体压力出现下降趋势。2#观测孔压力衰减明显，随着抽采时间的延长，可能会出现负压情况，2#测压孔处完全处于卸压范围内。3#、4#钻孔压力值连续下降幅度均大于10%，说明3#、4#观测孔均处在有效抽采半径之内。5#压力观测孔抽采7 d后呈现平缓下降的趋势，抽采11 d 后呈现快速下降幅度，钻孔压力值连续下降幅度亦均大于10%，亦认为在影响半径之内。6#压力观测孔在抽采15 d 后出现压力值下降现象，但钻孔压力值也呈现连续三次下降幅度大于10%的现象，表明6#压力观测孔处于有效抽采半径边缘范围内。7#观测孔初始瓦斯压力为0.47 MPa，联网抽采后瓦斯压力几乎无变化，可知7#孔处于有效半径范围之外；6#观测孔虽然处在有效抽采半径之内，但冲孔效果对其影响的程度已很小，可见6#测试孔仍处在有效抽采半径边缘范围内。因此，结合数值模拟，可以确认水力冲孔平均冲出煤量为1.20 t/m、抽采时间为15 d 时，可将其抽采瓦斯的有效抽采半径确定为8 m。

2.2 水力冲孔布孔方案

在11051 工作面底板巷钻场布置水力冲孔钻孔，其中2#钻场共设计水力冲孔钻孔11 个，在轨道顺槽两帮布置了5 个水力冲孔，剩下的6 个水力冲孔钻孔，主要是为了消除轨道顺槽轮廓线外15 m的范围。钻孔布置见图3所示。

图3 水力冲孔2#钻场钻孔布置平面图

3 水力冲孔增透卸压效果考察

3.1 水力冲孔增透效果

在2#钻场设计布置了11 个水力冲孔钻孔，冲出煤量159.5 t，最小孔7.5 t，最大孔27 t，平均每个孔14.5 t，有效卸除了172107 轨道顺槽两帮各15 m范围内煤体的应力，使集中应力区向煤体深处推延，单孔冲出煤量如图4所示。

图4 单孔冲出煤量统计图

图5、图6 给出了冲孔前后抽采浓度、抽采纯量，对比可以发现，冲孔前平均抽采浓度为5.4%，冲孔后为54.6%，提高了10.1倍；冲孔前抽采浓度最小为1.6%，最大为8.4%，冲孔后抽采浓度最小为33%，最大为72%；冲孔前平均抽采纯量为0.019 m3/min，冲孔后为0.094 m3/min，提高了4.9倍。

图5 冲孔前后抽采浓度变化图

图6 冲孔前后抽采纯量变化图

3.2 水力冲孔消突效果

利用水力冲孔，部分煤、瓦斯被水冲出释放，降低了钻孔周围的煤体应力，煤体得到不同程度的卸压，使煤体的透气性系数得到了极大的提高，提升了煤层瓦斯的自然释放和负压抽采效果。同时，由于水射流湿润煤体，改变煤体物理力学性质，减弱和消除了煤与瓦斯突出发生的可能性。在底板巷选择合适的位置，测定瓦斯含量和瓦斯压力，来验证冲孔效果。实测煤层残余瓦斯压力为0.24 MPa，煤层残余瓦斯含量为5.84 m3/t，达到了消突效果。

4 结论

①利用压降法现场进行实测考察，确定了水力冲孔的有效影响半径，水力冲孔平均冲出煤量为1.20 t/m、抽采时间为15 d 时，抽采瓦斯的有效抽采半径为8 m。

②采用底抽巷水力冲孔措施后，瓦斯抽采浓度由冲孔前的5.4%提高为54.6%，提高了10.1 倍；平均抽采纯量由冲孔前的0.019 m3/min 提高到0.094 m3/min，提高了4.9 倍。实测煤层残余瓦斯压力为0.24 MPa，煤层残余瓦斯含量为5.84 m3/t，达到消突的效果，确保了矿井的安全生产。