水力造穴在高瓦斯厚煤层迎头快速掘进的应用研究

李江龙

(山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046100)

矿井采掘接替紧张是煤矿开采面临的普遍性问题，对于有些矿井而言，这一问题甚至是影响安全高效生产的瓶颈问题[1-3]。造成采掘接替紧张的原因较多，既有掘进工艺方面的原因，如炮掘、机掘及其相应的支护工艺等[4-6]，也有掘进工作面前方煤体的瓦斯和应力集中问题[7-8]。随着掘进工作面的不断推进，掘进头(也称“迎头”)前方由于受掘进活动影响，地应力重新分布，在局部区域出现应力集中现象[9-10]。这种应力集中现象会使煤体的透气性相应地降低，导致瓦斯抽放或排放效果较差。因此，如何安全快速的卸除掘进头前方应力集中，促进煤体瓦斯快速释放，是提高掘进速度、缓解采掘接替紧张的关键所在。

对于如何有效解决掘进工作面瓦斯和应力集中问题，实现快速掘进，很多矿井进行了大量的探索。其根本性的措施是调整局部措施，如瓦斯抽采，但是也存在一定问题，比如预抽时间通常较长，占用大量掘进时间，而且效果并不一定理想，难以提高掘进速度[5]。尽管很多工程技术人员和科研人员，尝试建立优化模型，协调瓦斯抽采与掘进速率，但收效甚微，特别对于瓦斯含量较高的矿井，效果有限。此外，很多矿井还尝试从掘进工艺方面进行优化，以期从时间和空间角度，尽量提高灾害治理效果，并提高掘进工艺，来改善采掘解决紧张局面。

以上尝试虽然减缓了采掘接替紧张的局面，但是仍旧没有从根本上解决问题。为此，又提出了各类快速卸压增透技术。例如，利用底板巷进行水力割缝或冲孔，提高煤层透气性，预抽卸压瓦斯，但是由于煤层和瓦斯赋存的不均性，后进掘进过程仍然可能残存大量瓦斯。因此，很多研究人员提出了在本煤层补充预裂爆破或水力割缝进行增透，近年来，又提出了CO2气相压裂技术(原理为相变爆破致裂，并非实际意义上的CO2驱替压裂)。

目前，潞安矿区也在掘进工作面采用CO2气相压裂技术(如余吾矿)，但仍达不到预期的效果。因此本文以余吾矿为背景，尝试采用水力造穴技术改善掘进工作面地应力集中和瓦斯问题，并与CO2压裂技术的效果进行对比，为进一步的技术决策提供依据。

1 试验地点概况

余吾矿当前主采3#煤层，其原煤瓦斯含量为3.06 m3/t～23.69 m3/t，瓦斯压力是0.42 MPa～0.67 MPa，坚固性系数为0.44～0.53，百米钻孔瓦斯涌出量为0.015 m2/(min·hm)～0.037 m2/(min·hm)，其钻孔瓦斯流量衰减系数为0.081 1 d-1～0.252 5 d-1，透气性系数为0.524 0 m2/(MPa2·d)～1.741 5 m2/(MPa2·d)，煤层透气性系数分别属可抽放和难抽煤层。

余吾煤业自2017年8月开始进行水力增透试验，2017年8月—10月采用重庆煤科院的超高压水力割缝设备在N1103胶顺进行了35个孔的水力割缝试验，之后采用该设备利用45 MPa压力在N1103胶顺、N1105胶顺进行了34个钻孔的水力造穴试验。

2018年4月引进了河南铁福来公司制造的水力造穴钻进一体化设备，4月上旬在顺层钻孔进行了试验，为试验水力造穴技术对巷道掘进煤体瓦斯治理效果，5月1日利用检修停产期间在N1105回顺迎头进行了第一次水力造穴试验，5月9日因巷道停头在迎头进行了第2次水力造穴，同时施工了2个预抽钻孔。

2 水力造穴技术原理及工艺装备

2.1 技术原理

水力造穴主要利用高压水力射流对钻孔周围煤层进行切割，进而形成空穴，在煤层内部形成一个较大的空间，煤体在应力的作用下发生运移，形成裂隙，为瓦斯释放和流动创造良好条件；同时，随着应力的释放，周围煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大了煤层的透气性，具体钻孔水力造穴工艺示意见图1。

由图1可知，水力造穴可大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓解煤体和围岩中的应力紧张问题，既削弱了动力影响，又提高煤层透气性和瓦斯释放能力。松软煤体的塑性蠕变软化特性较强，当煤体所受轴向应力接近峰值强度时，煤体中逐渐出现塑性应变，并进入塑性软化阶段，抗压强度随应变增大逐渐衰减至残余强度。冲孔造穴洞室周围煤体可划分为黏弹性区、塑性软化区和破坏区。

1-履带钻机；2-高压螺旋钻杆；3-水刀；4-钻头；5-高压旋转水尾；6-高压软管；7-履带高压水泵站；8-履带煤水分离器图1 钻孔水力造穴工艺示意图Fig.1 Hydraulic caving technology with boreholes

2.2 主要技术设备

目前，矿上使用的造穴装备由河南铁福来公司制造。该套试验设备主要包括：ZDY4500LXY-A煤矿用履带式造穴专用液压钻机、BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11矿用振动筛式固液分离机、D73 mm高压密封螺旋钻杆、D113 mm金刚石复合片钻头、高低压水射流转换装置、打钻三防装置。

2.3 工艺流程

由于之前采用 “前进式”水力造穴施工期间出现多次掉钻现象。因此，采用“后退式”水力造穴施工，具体“后退式”水力造穴施工步骤如下：

1)杆放入钻机，前端连接上打钻钻头，确保打钻钻头与钻杆之间连接到位(螺纹全部上紧，每一根钻杆在连接前，用清水冲洗内部，确保无颗粒杂质，以防堵塞喷嘴)。2)杆的后方连接好分水器(水尾)(螺纹全部上紧)。3)钻进打钻。4)完成钻进任务以后，开始准备退钻，钻杆全部退钻完毕后，开始将高压造穴钻杆放入钻机，前端连接高压水刀，送至孔底深度，连接高压旋转水尾，连接高压管路。5)分水器(水尾)与高压胶管连接处球阀，启动清水泵，将清水泵的压力调到30 MPa，稳定1 min，观察管路连接是否良好，不得有渗漏现象。6)清水泵，打开分水器(水尾)与高压胶管连接处球阀；重新启动乳化液泵，调节清水泵压力调节阀，将压力稳定在3 MPa～7 MPa。7)钻机，转动钻杆(不进行退钻)直到钻孔口有水流出(大约需要几分钟的时间，根据钻孔深度、煤层性质不同而有区别)。8)清水泵压力调节阀，进行退钻造穴。每次造穴以达到要求煤量为准，每根钻杆首次造穴时压力应不大于10 MPa，保证煤岩渣顺利地从钻孔流出来以后，逐步调节清水泵压力，直至压力控制在15 MPa～20 MPa。9)卸钻杆时，先将清水泵压力调节阀降到0 MPa后，关闭分水器(水辫)与高压胶管连接处球阀。10)卸下一根钻杆。11)重新将分水器(水尾)与钻杆连好，打开分水器(水尾)与高压胶管连接处球阀。12)重复上面(7至11)步骤，直至全部造穴完毕，关闭高压泵，退出剩余钻杆，完成一个钻孔的作业。

3 现场试验方案及效果

N1105回顺迎头共实施造穴三个循环，分别采用了三种方案：第一种方案是在迎头仅施工一个钻孔，且为造穴孔，主要是试验水力造穴工艺；第二种是在迎头施工3个钻孔，其中1个造穴孔，同时在该孔两侧各布置一个效果测试孔(三孔单穴)；第三种方案是在迎头施工2个造穴孔，并布置6个效果观测孔(八孔两穴)。具体施工设计参数见图2。

图2 N1105回顺迎头水力造穴钻孔布置图Fig.2 Hydraulic caving boreholes layout in N1105 return airway heading face

3.1 方案一(单孔单穴)

为考察并熟悉水力造穴设备的造穴工艺流程，以及余吾矿煤体在造穴技术下的钻孔排渣能力，首先在原先压裂孔位置施工一个造穴钻孔，进行工艺流程实验。造穴孔设计深度120 m，每个循环压茬20 m，允许掘进距离100 m，开孔高度1.5 m，钻孔倾角为+1°。但实际施工时施工深度为80 m，共造穴7个，穴洞净间距8.0 m，造穴压力20 MPa，造穴时间30 min/穴，出煤量1.2 t/穴。通过实验，基本掌握了水力造穴装备的工作方式和造穴的工艺流程，也初步摸清了余吾矿煤质对造穴技术的适应性。

3.2 方案二(三孔单穴)

在对设备和工艺摸索的基础上，改进了试验方案，各个钻孔的开孔位置见图3，施工参数如表1所示。迎头造穴孔的穴孔深度为80 m，开孔高度1.5 m，钻孔倾角为+1°。因停头时间较长，造穴孔施工完成后，在造穴孔两侧各施工了一个100 m深预抽钻孔。现场施工时，首先施工1个造穴钻孔，施工完成后依顺序施工1#～2#普通钻孔，施工完成后将造穴孔与普通钻孔全部联网带抽。

图3 N1105回顺迎头水力造穴钻孔布置图Fig.3 Hydraulic caving boreholes layout in N1105return airway heading face

表1 迎头造穴及预抽钻孔设计参数Table 1 Design parameters of caving and pre-extraction boreholes

3.3 方案三(八孔二穴)

在迎头布置2个造穴孔和6个普通预抽孔，孔深120 m，钻孔工程量960 m左右。各钻孔开孔位置见图4，具体施工参数如表2所示，迎头造穴的始造穴深度为20 m，按照矿掘进进尺7.2 m/d及工程量大小，洞穴间距为8 m。现场施工时，首先施工2个造穴孔，施工完成后依照顺序施工1#～6#普通钻孔，施工完成后将造穴孔与普通孔全部联网带抽。

图4 钻孔布置图Fig.4 Layout of boreholes

表2 各钻孔施工设计参数Table 2 Construction design parameters of boreholes

3.4 现场实施效果

以上三种方案中，第一种方案主要用于试验水力造穴工艺，第二、三种方案现场施工时，跟踪测试了残余瓦斯含量、钻屑指标(K1和S值)和回风瓦斯参数等。

残余瓦斯含量见图5。第二次造穴时，跟踪测试的瓦斯含量较少，共有3个数据，平均值为7.5 m3/t；停掘一段时间后，进行了CO2爆破致裂增透工艺，测试残余瓦斯含量1个(7.5 m3/t)，与方案二造穴工艺相差不大；方案三实施后，平均残余瓦斯含量降低到6.8 m3/t，但是后期掘进将近60 m，残余瓦斯含量存在上升趋势，为此，煤矿补充了CO2爆破致裂措施，但残余瓦斯含量平均值仍为7.4 m3/t左右，效果不显著，没有抑制瓦斯含量上升的趋势。

(注：图中造穴依次为第二、三次造穴，后同)图5 残余瓦斯含量对比Fig.5 Comparison of residual gas content

回风瓦斯平均浓度见图6。其中，在第二次造穴之前的停掘阶段，回风瓦斯浓度平均为0.34%，造穴掘进后瓦斯浓度为0.47%；随后停掘，瓦斯浓度降低至0.41%，比造穴前的瓦斯浓度稍高，初步推测是煤体受造穴扰动后，促进瓦斯解吸、涌出量增加；补充压裂措施后掘进，平均瓦斯浓度为0.45%，和第二次造穴措施效果相当；第三次造穴后，回风平均瓦斯浓度大幅降低，为0.31%，由于上述的残余瓦斯含量增大，相应的瓦斯浓度在后期也呈增大趋势，采取补充压裂措施后，平均瓦斯浓度为0.42%，比造穴效果差。

图6 回风瓦斯平均浓度对比Fig.6 Comparison of average gas content of return airway

造穴施工过程中同时跟踪考察了K1和S值，但是S值无论何种情况都没有明显变化，推测可能为非敏感指标。K1值较好的反映了效果变化。两次造穴的平均K1值分别为0.42和0.39，明显由于压裂效果(CO2压裂后的K1平均值为0.45)。

图7 钻屑指标K1值对比Fig.7 Comparison of drilling cutting indexK1

由图7可知：水力造穴效果较好，使回风瓦斯浓度降低，钻屑指标也呈现下降趋势。但是发现随着进尺加大，各指标值呈上升趋势(大约为60 m)。日进尺数据见图8，造穴区段的进尺要高于压裂段。

4 结论

在余吾矿N1105回顺迎头进行了三次水力造穴试验，分别试验了造穴工艺，对比了不同布孔方案的实施效果，并与CO2致裂效果进行了对比分析。主要结论如下：

图8 N1105回顺迎头日进尺对比Fig.8 Comparison of drilling footage per day of N1105 return airway

1)对于高瓦斯厚煤层迎头，布置6个普通抽放钻孔和2个造穴钻孔，可以解决瓦斯超限问题，效果较好。

2)水力造穴以后，残余瓦斯含量平均6.8 m3/t，由于CO2致裂效果，后期回风瓦斯浓度降低显著，在本次试验地点的巷道回风瓦斯浓度平均为0.31%，杜绝了瓦斯超限问题。

3)通过对钻屑指标K1的跟踪测试，发现两次造穴的平均K1值分别为0.42和0.39，略优于CO2压裂效果(K1值为0.45)。

由于回风瓦斯浓度和钻屑指标的降低，巷道掘进速度提升明显，两次试验的日进尺分别为5 m和4.7 m，达到了预期效果。