底抽巷水力冲孔卸压增透技术在高瓦斯矿的应用

汤 辉

(潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)

1 工程概况

潞安集团余吾煤矿年产煤量超1000万t，井田地质构造相对简单，属高瓦斯矿井。根据现场实际需要，余吾煤业水力冲孔措施的工程应用在N2205工作面底抽巷开展。N2205工作面底抽巷布置于N2203回风平巷与N2205胶带平巷之间，按照余吾煤业N2203回风平巷的掘进要求，两帮预抽宽度控制在17m左右。N2203底抽巷与N2205工作面平、剖面位置关系见图1所示。

N2203底抽巷穿层钻孔在整个预抽区域内呈网格式均匀布置，钻孔穿透煤层全厚进入顶板0.5m，孔径为94mm。穿层钻孔在顶板处间距为5m（按5m×5m网格状布置），控制范围为被掩护巷道两侧轮廓线外17m。每组穿层钻孔共布置9个钻孔，其中5个钻孔布置于N2203底抽巷顶板，钻孔间距350mm；4个钻孔分两列布置于巷道右帮上部，钻孔距顶250mm，上下间距300mm，两排钻孔间距400mm。N2203底抽巷中开孔位置详细参数如表1所示。

图1 N2203底抽巷与N2205工作面平、剖面图

表1 穿层钻孔位置详细参数表

2 穿层钻孔布置方式设计

2.1 钻孔间距的确定

钻孔间距的确定过程应考虑钻孔的覆盖范围、工程量等实际情况。按照余吾煤业N2203掘进工作面的要求，两帮预抽宽度控制在17m左右。考虑常规的钻孔间距4m、5m、6m的情况，对这3种间距进行分析，见图2所示。

图2 不同钻孔间距覆盖效果对比图

对于4m间距钻孔布局而言，巷帮控制范围可以达到17.5m，每排共需11个钻孔才能实现覆盖。对于5m间距钻孔布局而言，巷帮控制范围也可以达到17.5m，每排共需9个钻孔实现覆盖。对于6m间距钻孔中心对称布局而言，如果只打7个孔，巷帮控制范围只能到达15.5m，与17m控制范围相差1.5m，无法实现覆盖要求。对于6m间距钻孔轴对称布局而言，巷帮控制范围也可以达到18.5m，每排共需钻孔8个实现覆盖。显然，对于4m与5m间距钻孔布局而言，巷帮控制范围相同，但是5m间距钻孔每排少打2个钻孔。按照1个钻孔平均1个班的施工时间计算，按照5m间距布局，每排可以省去2个班的施工时间，因此，5m钻孔更优。对于6m间距布局而言，虽然只需8个孔，且覆盖范围超过17m要求，但是单个钻孔的卸压范围过大，单孔的冲孔时间会大幅度增加。由于冲孔钻孔存在诱发小型突出的风险，增加冲孔时间会增加施工风险，同时上覆岩层下沉垮落的危险也在不断增加。总体而言，6m间距下的冲孔钻孔对各方面要求较高，会严重拖延施工进度。综上所述，采用5m钻孔间距既可以实现煤层卸压，又可以将施工量控制在可接受范围内，是最合理的方案。

2.2 钻孔布局的确定

穿层钻孔在煤层顶板位置处的布置方式俯视图如图3所示。两种布置方式均采用错位水力冲孔的方式，以求最大化的利用冲孔钻孔带来的煤层卸压增透效果。唯一不同的是，在交替式布孔方式下，每隔一个普通钻孔就存在一个冲孔钻孔；而在间隔交替式布孔方式下，每两排钻孔中会存在一排普通穿层钻孔，该排不进行冲孔作业。

图3 穿层钻孔布置方式对比图

从煤层卸压增透的角度来看，由于交替式布孔方式每排都进行了冲孔措施，卸压较为均匀，卸压覆盖率较高；而间隔交替式布孔方式的冲孔钻孔之间距离较远，卸压效果与前者相比覆盖率低一些，存在一小部分卸压盲区，见图4所示。然而，从施工进度上进行考量，由于间隔交替式布孔方式存在大量普通穿层钻孔，水力冲孔钻孔数量被大大减少，略等于交替式布孔方式的一半，因此可以省下大量的冲孔时间，工程量较小，进度较快，可以满足井下进度要求。综上所述，穿层钻孔采用间隔交替式钻孔布局方式，错位布孔，钻孔间距5m，这种布局方式能够使得冲孔钻孔的卸压增透效果被充分利用。

图4 不同穿层钻孔布置方式的卸压效果对比图

3 钻孔瓦斯流量衰减系数对比

瓦斯流量衰减系数是考察增透措施的重要指标。衰减系数越大，煤层透气性越差，抽放影响范围越小，高效抽放的可持续性越差；反之，衰减系数越小，抽放影响范围越大，透气性越好，抽放效果越好。利用现场冲孔效果较好的冲孔钻孔作为测量钻孔，并采用相应的瓦斯流量测量装置对该钻孔进行定期测量。每次测量时间为3min，该过程中多次测量混流瓦斯浓度，测算平均值。同理，对冲孔钻孔测量孔周围的普通钻孔也进行瓦斯流量定期测量，作为对比数据。

不同钻孔的煤层段长度不一致，所测数据需要根据各自钻孔长度换算成百米钻孔瓦斯流量数据，同时需要折算到1min 内流量数据，如图5所示。图中1#～9#钻孔为普通钻孔，10#钻孔为水力冲孔钻孔，需要注意的是，普通钻孔与冲孔钻孔的观测时间略有不同。

根据图中普通钻孔和水力冲孔钻孔的瓦斯纯流量衰减变化规律，并结合公式（1）对其曲线进行拟合，可以得到拟合公式和对应的瓦斯流量衰减系数，见表2所示。

根据表2可知，普通钻孔的瓦斯流量衰减系数普遍在0.02～0.025之间，而冲孔钻孔的瓦斯流量衰减系数仅为0.003。可以看出，冲孔钻孔的衰减系数仅为普通钻孔的1/7～1/8左右，表明冲孔钻孔卸压增透范围更广，煤体增透效果更好，有效抽采服役时间更长。

图5 瓦斯纯流量衰减变化图

表2 普通钻孔和冲孔钻孔瓦斯流量衰减系数拟合数据

4 结论

（1）通过对比4m、5m、6m钻孔间距下的卸压覆盖范围，充分考虑卸压区域以及减少施工量的因素，确定了最合理的钻孔间距为5m；同时，对比了不同的冲孔布局方案，分析其卸压效果、存在的盲区大小以及工程施工量等关键点，确定了间隔交替式冲孔方案。

（2）水力冲孔效果考察试验表明，冲孔钻孔的瓦斯流量衰减系数为0.003，仅为普通钻孔的1/7～1/8左右，持续性更强，瓦斯抽采效率和效果都明显优于普通钻孔区域。