水力冲孔增透技术的研究与应用

吕栋男，田 静

(1.冀中能源峰峰集团有限公司大淑村矿，河北 邯郸 056000；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

突出煤层区域防突措施包括开采保护层、预抽煤层瓦斯，两种方法均可以有效降低突出的动力，达到消突的目的，尤其是保护层开采，它是防治煤与瓦斯突出措施中较为经济、有效的区域性措施。但由于受地质条件影响，很多地区无法开采保护层，只能进行预抽煤层瓦斯进行区域消突，随着采掘深度的加大，在进行预抽煤层瓦斯时，钻孔施工难度大，瓦斯抽采率较低，预抽煤层瓦斯需要耗费大量时间和工程量抽采，再加上井下钻孔封孔质量低、管理不到位等因素影响，造成煤层消突效果不佳，采掘交替紧张，严重制约生产。因此，针对高瓦斯、低透气性煤层的增透技术的研究，对煤层安全高效的开采具有十分重要的意义[1-2]。

水力冲孔技术是指依靠钻机打钻时喷射的水射流冲击钻孔周围的煤体造成煤体破碎，使冲孔附近煤体卸压增透，冲出大量煤体和瓦斯，以消除采掘突出危险的方法[3-4]。目前，水力冲孔增透技术在煤层安全高效开采上已得到较为广泛的应用，并达到了一定的消突效果[5-6]。

因此，以冀中能源峰峰集团大淑村矿为工程背景，介绍了水力冲孔增透技术的施工流程，考察了水力冲孔增透效果。并在三采区皮带下山石门揭煤期间进行了应用，取得了预期效果。

1 水力冲孔技术

1.1 水力冲孔系统

水力冲孔系统一般是由乳化液泵、钻机、高压胶管、多功能高压水表、增压回流装置、防喷装置和喷头等组成，本次试验在实施过程中增加了压滤机，压滤机的作用是将钻孔里冲出来的煤水分离，水力冲孔系统布置示意图如图1所示。

图1 水力冲孔系统布置示意图

1.2 水力冲孔工艺流程

水力冲孔前，预先测定施工钻孔周围煤体中的瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数等参数。在实施水力冲孔过程中要时刻注意观察并记录附近钻孔的瓦斯压力、瓦斯流量和瓦斯浓度的变化情况。待冲孔工作结束后对钻孔进行封孔注浆，然后连接到瓦斯抽采管路上进行抽采。水力冲孔工艺流程如图2所示。

图2 水力冲孔工艺流程图

2 水力冲孔效果考察

2.1 钻孔布置

在172107底抽巷间隔一定距离依次施工2、3、4、5、6、7#孔和1个水力冲孔措施孔，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。考察钻孔布置如图3所示。

图3 水力冲孔效果考察钻孔布置示意图

2.2 效果考察

待所有的观测孔压力稳定后开始施工1#钻孔水力冲孔，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。继续观测2、3、4、5、6和7#孔气体压力，测定并绘出各测量钻孔的瓦斯压力变化曲线。经观测，2#观测孔压力变化曲线如图4所示。

图4 2#观测孔压力变化趋势图

对图4进行分析可知，2#观测孔的压力下降趋势非常明显，逐渐降低到0，由衰减趋势可推测，随着预抽孔抽采时间的再延长，2#观测孔的压力有可能会出现负压情况，并由2#观测孔的压力变化曲线很容易看出其压力在预抽孔刚联网抽采后就呈现出下降趋势，可见2#观测孔处于完全卸压范围内。

经观测，3#观测孔压力变化曲线如图5所示。对图5进行分析可知，3#观测孔的压力下降趋势也非常明显，逐渐降低，在联网后一周内就出现明显的衰减趋势，并由3#观测孔的压力变化曲线很容易看出其压力在预抽孔刚联网抽采后就呈现出下降趋势，且钻孔压力值连续下降幅度均大于10%，下降幅度最高达到88%，说明3#压力观测孔处在有效抽采半径之内。

图5 3#观测孔压力变化趋势图

经观测，4#观测孔压力变化曲线如图6所示。对图6进行分析可知，4#压力观测孔的压力在预抽孔联网抽采后也表现出下降的趋势，但并不像2#和3#孔那么明显，下降的幅度也不是很大，并且是在预抽孔联网抽采4 d后才呈现出下降的趋势，抽采11 d后才呈现出明显的下降幅度。综合数据考察，钻孔压力值连续下降幅度亦均大于10%，下降幅度最高达到51%，可知，4#观测孔在有效抽采半径影响范围内。

图6 4#观测孔压力变化趋势图

经观测，5#观测孔压力变化曲线如图7所示。对图7进行分析可知，5#压力观测孔的压力在预抽孔联网抽采后也表现出下降的趋势，但并不像2#和3#孔那么明显，与4#观测孔情况相当，下降的幅度也不是很大，并且是在预抽孔联网抽采7 d后才呈现出下降的趋势，抽采11 d后才呈现出明显的下降幅度。综合数据考察，钻孔压力值连续下降幅度亦均大于10%，下降幅度最高达到46%，可知，5#观测孔亦在有效抽采半径范围内。

图7 5#观测孔压力变化趋势图

经观测，6#观测孔压力变化曲线如图8所示。对图8进行分析可知，6#压力观测孔的压力在预抽孔联网抽采后虽然也呈现有下降的趋势，但幅度已经很小，并且是在预抽孔联网抽采15 d后才出现的，但钻孔压力值也呈现出连续三次下降幅度大于10%的现象。说明6#压力观测孔处于有效抽采半径边缘范围内。

图8 6#观测孔压力变化趋势图

经观测，7#压力观测孔的压力在进行联网抽采期间一直呈现趋势稳定的压力值，预抽孔的联网抽采与否对7#压力观测孔的压力没有造成任何影响。

综合上述钻孔压力的变化规律，2#、3#、4#、5#和6#孔处在水力冲孔钻孔冲孔效果的影响半径范围内，7#孔处在有效抽采半径影响范围之外；6#压力测试孔虽然处在有效抽采半径之内，但水力冲孔钻孔的冲孔效果对其影响的程度已很小，可见，6#压力孔是处在有效抽采半径边缘处。因此，大淑村矿在进行水力冲孔每米煤段平均冲出煤量为1.20 t/m时，采用孔径94 mm的抽采钻孔进行2#煤层瓦斯抽采，瓦斯抽采钻孔抽采5 d时有效抽采半径为6 m，抽采9 d时有效抽采半径为7 m，抽采15 d及以上才逐渐达到极限有效抽采半径为8 m。

3 水力冲孔增透技术的现场应用

大淑村矿石门揭煤工作面瓦斯抽放技术主要以预抽煤层瓦斯区域防突措施为主。为了更快揭开2#煤层，使采掘接替正常，在石门揭煤前，须提前采用抽放钻孔等工艺进行预处理，预抽煤层瓦斯钻孔最高达65个，钻尺3 250 m，由于2#煤层透气性较低，预抽时瓦斯流量小、且瓦斯浓度低，需75 d以上的抽放时间。揭煤时间长，最长达180 d。在三采区皮带下山石门揭煤工作面预抽煤层瓦斯钻孔首次采用水力冲孔增透技术进行揭煤。

根据对水力冲孔影响的考察结果来设计三采区皮带下山石门水力冲孔钻孔的布孔方式，从而可以减少钻孔施工量，提高工作面瓦斯抽采效率。三采区皮带下山石门巷道中线与其上覆的2#煤层法向距离是10 m，水力冲孔的有效抽采半径取考察结果8 m。因此设计的水力冲孔剖面、平面如图9、图10所示。

图9 三采区皮带下山水力冲孔钻孔剖面图

图10 三采区皮带下山水力冲孔钻孔平面图

大淑村矿在三采区皮带下山石门进行施工打钻作业，每8 m的距离进行一次水力冲孔，所有水力冲孔冲出来的孔都是垂直向里的，每一组一共冲7个孔。每米冲孔煤量不低于1.2 t，钻孔施工完毕后进行注浆封孔，待水泥浆凝固后即可连接抽采管路进行抽采。

4 结论

(1)采用水力冲孔增透技术后，仅用了15 d的时间将三采区皮带下山揭煤区域瓦斯压力由原来的0.8 MPa降到0.2 MPa，消突效果达到了规定的成效，揭煤期间避免了瓦斯超限事故和煤与瓦斯突出事故，实现了安全揭煤。

(2)采取水利冲孔后再进行预抽，不仅可以减少石门揭煤防突工程量、缩短揭煤时间，而且与未采取任何增透技术措施的石门揭煤相比，该技术的应用减少了1 625 m平均钻孔进尺，实现了50%的降幅。

(3)采取水利冲孔后再进行预抽，预抽时间实现了80%的降幅，由原来的至少75 d下降为15 d，并且由于煤层裂隙的增加，使煤层透气性得到提高，进而缩短了瓦斯抽采时间。

(4)另外还可以加快钻孔瓦斯涌出速度、提高瓦斯抽采效率、缩短石门揭煤周期。从而保障了石门揭煤时的安全性，可以将其广泛应用到其他石门揭煤工程中。