山西省夏店煤矿瓦斯抽采钻孔水力造穴增透技术应用

吕 毅，李忠群，刘小鹏

(潞安集团慈林山煤业公司夏店煤矿，山西长治 046200)

0 引言

一直以来，矿井瓦斯灾害对煤矿安全生产和经济效益造成了严重的威胁和影响。随着煤炭资源开采深度的增加，对瓦斯治理提出了更加严格的要求。瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的基本途径，只有安全、合理、有效地进行瓦斯抽采，才能保证矿井安全高效生产。引进并应用瓦斯治理新技术是推进瓦斯抽采工作的基础，是确保工作面在有限的时间内达到预期抽放效果的依据。近年来，为解决夏店煤矿瓦斯抽采的问题，进行了大量的技术研究及实践，例如水力压裂、煤层注水等，虽然在瓦斯治理上取得了一定的成就，但仍没有达到有效的效果。水力造穴增透技术具有造缝卸压的双重作用，造缝可以增大钻孔内煤体暴露面积，提高煤层瓦斯透气性和瓦斯释放效率，卸压能够降低煤体内应力集中程度，因此决定在夏店煤矿采、掘工作面应用水力造穴增透技术进行瓦斯抽采。

1 技术原理

水力造穴主要利用高压水力射流，通过对煤层进行扩孔造穴，增加煤体暴露面积，给煤层内部卸压，为瓦斯释放和流动创造良好的条件，洞穴周围的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大煤层的透气性。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，改变煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体中的应力紧张状态，既可削弱或消除突出的动力，起到防突作用，又提高煤层透气性和瓦斯释放能力，提高钻孔抽采量。

高压水力射流技术原理(图1)是利用高低压转换造穴装置通过装置内部活塞的移动来实现前端出水与喷头出水。低压水作用在活塞上，活塞不产生位移，水流通过该装置从钻头前端流出，达到冷却钻头和排渣的目的。高压水作用在活塞上，活塞产生位移，前端通道被密封，水流在装置内部形成高压，从射流喷头处喷射。高压水经过射流喷头后被再次加速，喷射出的高压水流冲击煤体，破坏煤层原有的状态，使钻孔周围煤体脱落形成洞穴，煤层中储存的瓦斯得以释放并沿钻孔排出，以达到提高瓦斯释放效率的目的。

图1 高压水射流冲击破碎煤体概念模型Figure 1 Conceptual model of high-pressure water jet coal mass impact breaking

2 技术应用背景

夏店煤矿位于沁水向斜东翼，受区域构造的控制，煤矿总体为走向NE，倾向W的单斜，在单斜上发育有小的褶曲，除在F11正断层(西川正断层)附近倾角较大(最大36°)、小构造相对较发育外，井田广大区域小构造不发育，地层倾角为4°～14°，以往地质勘查和生产过程中已经发现11条断层和11个陷落柱。未发现有岩浆侵入现象。煤矿地质构造复杂程度属简单。

2.1 矿井瓦斯赋存及抽采

夏店煤矿3#煤层瓦斯储量为1 480.02Mm3，最大瓦斯含量为17 m3/t，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为71.62m3/min；单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为8.44m3/min，采区最大绝对瓦斯涌出量为114.74m3/min；矿井最大相对瓦斯涌出量为37.86m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为143.43m3/min，为高瓦斯矿井。

夏店煤矿在西风井工业场地建设一座瓦斯抽采泵站，瓦斯抽采泵站内建设高、低负压瓦斯抽采系统各一套，共安设4台2BEC87型水环式真空泵，高低负压各2台，一用一备。其中高负压抽采系统管路采用直径660mm螺旋焊接钢管，低负压系统抽采管路采用直径630mm螺旋焊接钢管。井下瓦斯治理采用采空区抽采、本煤层预抽、边采边抽、边掘边抽、邻近层卸压抽采等方法。

2.2 应用的必要性

夏店煤矿属于高瓦斯矿井，主采3#煤层，煤层透气性系数0.524 0～1.741 5m2/(MPa2·d)，属可以抽采煤层。矿井瓦斯治理措施以顺层钻孔预抽煤层瓦斯为主，采用顺层钻孔进行预抽时，钻孔施工量大、抽采效率低，导致抽采达标时间长、现场使用效果差。为提高钻孔抽采流量，快速降低煤体瓦斯含量、增加煤层透气性，在施工抽采钻孔时应用水力造穴增透技术。

3 技术应用情况

夏店煤矿于2018年6月至2019年8月在井下3119备用工作面及31采区探巷掘进工作面应用该技术施工瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采。采用ZDY4500LXY煤矿履带式液压钻机、高压BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11矿用振动筛式煤水分离器、配套钻具及其他附属装置。现以3119备用工作面为例对该技术的应用进行说明。

3.1 煤层赋存情况

3119备用工作面原始瓦斯含量为9.5～11m3/t，瓦斯压力0.85MPa。工作面煤层为山西组中下部3#煤层，煤层厚度稳定，平均厚度为5.9m；顶板为泥岩，伪顶为灰质泥岩，老顶为细砂岩，底板为泥岩，老底为细砂岩。

3.2 方案设计

在3119备用工作面运输顺槽向回采工作面方向施工水力造穴钻孔(图2)。钻孔施工方式为本煤层，每10m施工1个水力造穴钻孔，造穴钻孔单孔深度150m，水力造穴采用后退式造穴方式，造穴在孔底处开始，造穴直径1m，造穴长度1m，造穴间距8m，距孔口20m位置停止造穴，单孔造穴16个。

图2 水力造穴钻孔示意Figure 2 A schematic diagram of hydraulic cavitation drilling

3.3 完成情况

目前3119运输顺槽水力造穴钻孔已全部施工完成，共施工钻孔92个，累计钻孔施工进尺13800m(图3)。

图3 3119运输顺槽水力造穴钻孔示意Figure 3 A schematic diagram of hydraulic cavitation drilling in haulage crossheading No.3199

3.4 抽采效果分析

1)模块抽采情况对比。3119运输顺槽抽采钻孔水力造穴增透技术应用结果表明(图4)，水力造穴钻孔施工后，周边钻孔瓦斯体积分数提升明显，平均体积分数由6%提升至45%，单孔最高提升至90%。

2)通过对3119运输顺槽单组模块抽采钻孔进行抽采数据计量分析发现，未造穴单组钻孔抽采量为0.2m3/min，造穴后提升至1.3m3/min(图5)。

3)3119运输顺槽抽采钻孔通过应用水力造穴增透技术后，顺槽内瓦斯抽采支管路体积分数达到45%，万米钻孔抽采量达到3.6m3/min， 较未进行水力造穴钻孔提高4倍，大大提高了抽采效率。受水力造穴钻孔活化周边钻孔因素影响，水力造穴后抽采效率为之前的5.77倍，理论上可将抽采达标时间缩短至原有的17%。

3.5 瓦斯参数W、K1值分析

3119备用工作面在应用水力造穴增透技术前实测瓦斯含量最大为8.5m3/t，K1值最大为0.52L/g·min1/2；在应用水力造穴增透技术预抽2个月后，实测工作面瓦斯体积分数最大为6.2m3/t，K1值最大为0.31L/g·min1/2。使用该技术对煤层瓦斯进行预抽后，工作面瓦斯体积分数下降2.3m3/t，K1值下降0.21L/g·min1/2。综上可知，在3119备用工作面进行煤层瓦斯预抽时，采用水力造穴增透技术不仅能提高抽采率，还能有效增加煤层内瓦斯解吸和排放的效率。

图4 水力造穴钻孔施工前后周边钻孔瓦斯体积分数变化Figure 4 Peripheral boreholes gas volume fraction variation before and after hydraulic cavitation drilling

图5 水力造穴钻孔抽采区域抽采量对比Figure 5 Drainage volumes comparison of hydraulic cavitation borehole drainage areas

4 结语

夏店煤矿3#煤层透气性差，常规的瓦斯抽采技术不能有效的抽排瓦斯，抽采达标时间较长，并且影响巷道的快速掘进，通过水力造穴增透技术在3119备用工作面和31采区探巷掘进工作面实践应用，应用过程中取得了很好的瓦斯抽采和防突效果，缩短了工作面预期抽采达标时间，且掘进工作面掘进速度是采用常规钻孔预抽后掘进速度的1.5倍，说明夏店煤矿应用水力造穴增透技术进行瓦斯抽采是治理瓦斯行之有效的措施，达到了预期效果，保证了工作面安全生产，为今后瓦斯抽采设计提供了科学依据。