软分层水力掏煤泄压增透技术研究

朱起超

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

1 引言

高瓦斯、高地应力和冲击地压问题，已成为制约高瓦斯矿井生产衔接的主要问题。由于该类煤层较软，当施工至软煤时，钻孔返渣量大，泥浆泵压力增大，极易出现卡钻、吸钻甚至瓦斯喷出现象。目前井下主要采取的措施是底抽巷施工穿层钻孔对软分层进行掏煤，但目前效果不明显，在工作面防突检测中仍然存在钻屑量超标，对矿井安全高效采掘造成很大影响。基于上述问题，提出了采用软分层水力掏煤作为保护层开采的一种替代技术，实现区域消突和瓦斯预抽达标。

2 现场概况

岳城矿为沁秀公司下属高瓦斯矿井。矿井配风量合理，能够满足安全生产需要。现阶段开采的1309工作面位于井田东部边界，采用“两进一回”通风，其中13091巷、13093巷为进风巷，13092巷为回风巷，底抽巷位于13092巷以东350m。其工作面位置如图1。

图1 1309工作面巷道位置图

现开采的3#煤层平均透气性系数为16.383m2/（MPa2·d），钻孔平均瓦斯流量衰减系数为0.031d-1，瓦斯抽采影响半径为3.0～3.5m，排放半径测定为0.7m。回采期间在采空区施工高位钻孔并埋管抽放，效果不甚理想，钻屑量指标仍然超标，因此迫切需要开展水力掏煤工艺及参数改进，满足采掘衔接要求。

3 参数测定

3.1 掏煤半径

首个试验钻孔进行突出煤层软分层掏软煤后，通过考察与突出煤层软分层掏软煤钻孔不同距离的钻孔瓦斯流量和水分的变化，确定不同条件下突出煤层软分层射流掏煤的有效掏煤半径。选择在掏软煤钻孔一侧间距1m、2m、3m、4m和5m设计掏软煤半径测定钻孔。在掏软煤钻孔施工前预先施工检测钻孔，并封孔连入抽放管路，检测在掏软煤钻孔施工前后周边钻孔瓦斯流量和瓦斯浓度及水分变化情况，掏软煤半径介于检验孔出水量变化且瓦斯流量急剧变化与检验孔出水量不变且小幅变化这两个检验孔的间距之间。

3.2 掏煤厚度

完成试验区突出煤层软分层掏软煤后，根据各孔采出的煤量，计算各个钻孔掏软煤半径及平均射流掏煤厚度，确定突出煤层软分层掏软煤的半径和影响半径，最终确定合理掏软煤钻孔间距。

4 研究方案

4.1 设备选配

对水力掏软煤系统、供水系统和防超限装置等试验设施进行安装和调试，其系统组成如图2所示。

图2 水力掏煤系统图

相关设备基本参数如表1所示。

表1 掏煤设备表

计划在1309底抽巷沿巷道0～120m范围内掏煤作业， 掏煤影响半径3～6m，掏煤压力0～30MPa。

4.2 掏煤参数

4.2.1 水射流掏煤层位

岳城煤矿软煤硬度系数在0.1～0.5之间，水射流掏煤层位布置在软煤区域。根据岳城矿地质资料，1309底抽巷存在较稳定的软分层，厚度0.2～0.6m。

4.2.2 水力射流参数

软分层水射流掏煤半径主要受煤体硬度系数、射流压力、射流流量及时间控制，其中煤体硬度系数和射流流量较为关键。当设计水射流掏煤半径、厚度、煤体硬度增大时，水射流水量、压力随之增大，时间增加。

水射流参数设计包括水射流流量、压力和时间等参数，应根据设计水射流掏煤半径、厚度和煤体硬度来设计。水射流设计参数值仅为第一个水射流掏煤钻孔初次掏煤提供参考，其他钻孔水射流掏煤的具体参数应根据实际掏煤情况进行调整。综上得出软分层水射流参数初步设计如表1所示。

表2 突出煤层软分层水射流掏煤初步设计参数

4.3 掏煤设备

4.3.1 钻杆喷嘴

突出煤层软分层水力掏煤钻杆采用插接式高压密封钻杆，采用高压密封圈连接钻杆，密封压力大于50MPa。为了准确定位钻杆和喷嘴在突出煤层软分层水力掏煤时的相对位置，预先在地面对钻杆和喷嘴的相对位置进行测试和标刻。

4.3.2 钻孔布置

在底抽巷试验区域施工穿层钻孔，井下高压水泵最大供水压力去掉供水管路阻力之后的有效压力大于25MPa。根据突出煤层软分层水力掏软煤喷嘴设计参数、射流压力、软分层硬度和水射流参考经验数据，单孔理论水力射流半径在3.0～4.0m之间。在底抽巷试验区域设计首个水力掏软煤试验钻孔，孔径94mm，倾角60°，与巷道轴线方位角90°。在水力掏软煤钻孔间距1m、2m、3m、4m、5m设计水射流掏煤半径测定钻孔，具体的钻孔参数可依据现场试验测定数据进行确定。

5 现场验证

在1309底抽巷沿巷道120m范围内进行掏煤作业，射流压力为28MPa，射流流量为180L/min，共计施工钻孔552个，出煤量247t。原百孔抽采量为0.94m3/min，钻孔平均压力为1.17MPa，单位瓦斯含量为5.72m3/t。实行水力掏煤后，百孔抽采量增加到2.01m3/min，抽采量提高了113.8%，钻孔平均压力降为0.32MPa，降低了72.6%，单位瓦斯含量降为3.26m3/t，降低了43%。说明水力掏煤能够大幅度降低钻孔平均压力，从根源上消除顶钻、卡钻现象，同时有效提高区域抽采效果，满足采掘衔接要求。

6 结论

在1309底抽巷实行水力掏煤，百孔抽采量提高了113.8%，钻孔平均压力降低了72.6%，单位瓦斯含量降低了43%。说明水力掏煤能够大幅度降低钻孔平均压力，从根本上起到区域防突、抽采提效的良好作用。