1302工作面瓦斯抽采水力造穴增透技术试验

郭孝星

（潞安集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西 长治 046100）

1 概述

潞安集团慈林山煤业有限公司李村煤矿矿井生产能力3.0 Mt/a，目前开采水平为+370 m，煤层平均埋深为560 m，目前回采煤层为二叠系下统山西组3#煤层，煤层平均厚度为4.76 m，平均倾角为4°，平均瓦斯含量为8.49 m3/t，属于高瓦斯矿井。为了保证3#煤层安全回采，李村煤矿对3#煤层采取瓦斯抽采技术，以降低煤层瓦斯含量。主要采用本煤层钻孔抽采、地面井抽采、高抽巷抽采、裂隙带抽采及采空区埋管抽采等技术手段，其中以本煤层钻孔预抽煤层瓦斯为主。

由于3#煤层瓦斯含量较高，且煤层结构复杂，具有透气性低、煤质松软等特点，在进行瓦斯抽采时钻孔瓦斯流量衰减系数为0.5639 d-1、透气性系数为0.0997 m2/MPa2·d，坚固性系数处于0.41～0.45之间，且瓦斯吸附性强、解析速度慢，导致抽采钻孔单孔抽采量低，抽采速度慢，属于难抽采煤层。3#煤层瓦斯参数见表1。同时受煤层赋存及地质条件影响，瓦斯抽采钻孔施工时成孔难度大，经常出现塌孔现象，钻孔工程量大[1]，不仅延长了瓦斯抽采时间，而且瓦斯抽采效率低，瓦斯抽采纯量低，严重影响了采掘工作面的安全生产。

表1 3#煤层瓦斯参数

2 本煤层瓦斯抽采存在主要的技术难题

1）成孔率低：以3#煤层2304顺槽巷为例，2018年2月～4月，在长度570 m的巷道掘进过程中，共施工38个瓦斯抽采钻孔。其中仅3个钻孔达标，钻孔成型好，深度为120 m；其它35个钻孔成型差，且深度不足，平均深度为仅92 m，钻孔平均深度仅为设计深度为73.4%，钻孔成孔率不足6%，造成工作面附近大面积煤体未能进行有效瓦斯抽采[2]，影响3#煤层瓦斯抽采质量。

2）塌孔严重：由于地应力大，煤层结构复杂，煤质松软，且构造复杂多变，钻孔施工过程中钻屑量远超正常钻屑量且成孔后极易塌孔。以三采区1#变电所本煤层钻孔施工为例，部分钻孔在钻进30 m时就全部塌实，有的钻孔即成即塌，导致无法正常下封孔管。

3）抽采浓度低、纯量小：以1302工作面为例，单孔抽采浓度50%以上钻孔占比仅为2.3%，巷道支管浓度仅为1.4%，平均单孔纯量仅为0.00031 m3/min。

3 水力造穴增透技术的应用

针对以上瓦斯抽采中存在的问题，为了提高3#煤层瓦斯抽采效率及钻孔达标率，缩短单孔瓦斯抽采时间，在1302工作面进行水力造穴增透技术试验。

1302工作面设计走向长度为1670 m，倾向长度为220 m，工作面采用两巷一面布置方式，开采3#煤层，平均厚度为4.76 m，工作面采用综合机械化一次采全高回采工艺。

3.1 水力造穴增透技术原理

（1）水力造穴增透技术主要利用专用设备及高压水冲击作用，使钻孔附近煤体发生蠕变破坏，人为形成孔洞，从而使孔洞影响范围内煤体应力降低、裂隙贯通、孔隙增大，同时在媒体内又产生新的裂隙空间，成为新的抽采通道，煤体吸附瓦斯快速转化成游离瓦斯，从而提高煤体透气性[3]。

图1 水力造穴增透技术原理

3.2 水力造穴设备

李村煤矿采用的水力造穴设备主要包括ZDY4520LXY型煤矿移动式液压钻机、BQWL240/37.5型移动式高压水泵站、增压泵、震动筛、Φ73 mm三棱高压密封钻杆、钻进冲孔一体化高压水刀、煤水气分离装置、打钻防喷装置等。

3.3 水力造穴方案选择

（1）前进式一体化造穴：钻杆与水刀一起钻进至起始造穴位置，停止钻进，切换至高压水开始造穴，造穴完成后进入下一个循环，直至打够设计深度。采用该方式进行造穴施工时，不仅工序繁琐，钻孔施工周期长，而且受应力影响，经常出现卡钻现象。

（2）后退式一体化造穴：钻杆与水刀一起钻进至设计深度，从孔底位置开始造穴，造穴完成后进入下个循环，直至退至造穴终止位置。通过施工试验孔发现，采用后退式一体化造穴时，钻孔施工至40 m时夹钻严重，且伴随有喷孔顶钻现象，无法正常施工，钻孔施工难度大。

（3）钻造分离前进式造穴：该方案是先采用风水联动方式进行钻孔施工，待成孔后退出钻杆，换下钻头，安装水刀，重新将钻杆送入造穴起始位置造穴，按照边进边造穴的方式完成钻孔造穴工作。通过试验钻孔发现，采用该方式造穴时未出现卡钻、钻孔塌陷现象[4]。

通过对以上3种造穴方案分析，认为“钻造分离前进式造穴”方式，为李村矿井水力造穴增透技术的最佳造穴方式。

3.4 施工工艺

（1）1302工作面从150 m处开始对3#煤层施工水力造穴钻孔。井下钻孔开孔位置位于1302回风顺槽侧距顶板1.5 m煤壁处。首先采用ZDY4500LXY型液压钻机配套Φ73 mm三棱高压密封钻杆进行普通钻孔施工，钻孔深度为82 m，钻孔顺煤层布置，见图2。普通钻孔施工到位后，及时清理钻孔内煤屑，保证钻孔成型效果好。

图2 水力造穴施工平面

（2）普通钻孔施工到位后，退出钻杆，更换为钻进冲孔一体化高压水刀，并从钻孔20 m处向孔底依次进行水力冲孔造穴，钻穴孔长度为2.0 m，宽度为0.8 m，造穴水压为18 MPa。第一个造穴钻孔施工完后，及时清理煤屑，施工第二个造穴孔，相邻两个钻穴孔间距为30 m。共计施工6个钻穴钻孔，见图3。

（3）造穴钻孔施工完后及时对钻孔孔口处进行扩孔，扩孔直径为108 mm，深度为17 m。扩孔后及时安装直径为63 mm PE管，共计6节，每节长度为3.0 m。

（4）孔口管安装后，采用聚氨酯粘合剂进行封孔处理，确保钻孔密封严实。封孔结束后，及时将钻孔与抽采分支管路连接，并安装导流管，在瓦斯抽采时保证孔口处抽采负压不低于14 kPa。

图3 水力造穴施工剖面

4 效果分析

1）提高自动化水平。采用一体化水力造穴设备施工时，高低压水流自动转化、煤水自动分离、整体设备自动化程度高，避免了传统钻孔施工时钻场煤水横流，巷道积水量大[5]，影响巷道质量标准化及劳动作业强度大的问题。

2）缩短了钻孔施工时间。通过试验证明，水力造穴钻孔施工时间仅是普通钻孔的72.23%。

3）提高了瓦斯抽采效率。水力造穴孔单孔平均瓦斯抽采纯量为0.096 m3/min，而普通钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为0.013 m3/min。造穴孔平均单孔纯量是普通孔的7.38倍。

4）减少了钻孔数量。本次试验中水力造穴钻孔间距为30 m，基本能有效控制工作面瓦斯抽采范围，与传统瓦斯抽采技术相比，减少了工作面瓦斯钻孔数量，降低了钻孔施工成本费用。