平煤股份一矿顺层钻孔水力造穴瓦斯治理技术的研究与应用

李军伟 刘建平

（平顶山煤矿股份有限公司一矿）

顺层钻孔水力造穴瓦斯治理技术是低透气煤层预抽煤层瓦斯最有效的增透措施之一［1］，平煤股份一矿为瓦斯突出矿井，深部戊组煤层为瓦斯突出煤层，戊8-31220采面为深部戊组煤层突出危险工作面，采面在回采前采取区域顺层预抽区段煤层瓦斯防突措施，尽管已实现瓦斯抽采达标，消除了采面回采期间的突出危险，但戊组煤层为低透气煤层，回采时仍会出现煤体片帮造成瓦斯超限和高值现象，为解决这一难题，经过研究决定，在戊8-31220采面机巷实验施工顺层水力造穴钻孔，采用水力冲孔措施后，孔洞周围煤体向孔洞方向发生大幅度的移动，造成媒体的膨胀变形和顶、底板间的相向位移，煤层的弹性势能及潜能得到释放，煤体裂隙大量发育，透气性能提高［2］，促进瓦斯的进一步解析和释放，有效地实现对煤体的卸压增透，煤体瓦斯抽采取得了较好的效果，进而解决平煤股份一矿深部戊组煤层瓦斯超限或高值的问题。

1 戊8-31220工作面概况

戊8-31220工作面位于三水平下延戊一上山采区西翼上部第一个工作面，工作面标高为-732～-819 m。地面标高为+141～+170 m，埋深为810～933 m，瓦斯含量为2.8～5.85 m³/t，瓦斯压力为0.27～0.68 MPa。工作面机、风巷呈平行布置，工作面圈定区域为原生煤，与其他工作面不存在压茬关系。

该采面内戊8煤层厚度为1.6～2.6 m，平均厚度为1.9 m，局部受断层影响，煤厚变化较大。煤层上部和下部较硬，中部含0.1～0.5 m厚的软煤，戊8煤层与戊9、10煤层层间距为3.7～10.9 m，层间距东薄西厚。煤层倾角为14～20°，由里向外倾角逐渐增大，采面倾斜长随着煤层倾角变大而逐渐增长，采面里段煤层平均倾角为14°，中部煤层平均倾角为18°，外段煤层平均倾角为20°。煤体坚固性系数f值为0.3～1.0，煤层透气性差，属于难以抽采煤层。

2 顺层钻孔水力造穴原理

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条件，造穴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［3］。

顺层钻孔水力造穴选用BPW315/12.5Ⅱ型增压泵做为水力造穴液压泵，水力造穴钻杆选用φ73 mm专用高压密封钻杆、φ94 mm专用造穴钻头。水力造穴钻头在普通PDC金刚石复合片钻头基础上，在侧边增设造穴高压喷头，钻头内部增加高低压转换装置。

工作原理（图1）：低水压（小于5 MPa）时，钻头所增设的高压喷头关闭，钻头原喷嘴出水，清洗打钻产生的煤（岩）粉并冷却钻头，进行普通打钻；高水压（大于5.5 MPa）时，原喷嘴关闭，高压喷头出水，冲击钻头侧面煤体，实施水力造穴。

3 水力造穴钻孔设计

根据戊8-31220采面煤层赋存及生产情况，在该采面机巷自采面向外大于100 m处，在机巷上帮垂直煤壁向采面施工水力造穴钻孔（布孔剖面见图2），随着采面向外推进逐渐向外施工水力造穴钻孔，水力造穴钻孔孔间隔为5～8 m，先采用直径113 mm的钻头用压风施工，再用直径94 mm水力造穴钻头施工，设计孔深为60～80 m，水平角为90°，倾角平均为20°（16～24°，实际倾角根据煤层倾角变化情况可适当调整）。顺层钻孔施工到设计位置后开始后退式造穴，造穴孔0～29 m范围内不进行造穴，30～80 m范围内自里向外依次进行造穴，造穴间距为5～8 m，每次造穴冲孔长度为1～3 m，即80～78、72～70、64～62、56～54、48～46、40～38、32～30 m进行水力造穴，每次水力造穴冲孔时间不低于20 min。

4 水力造穴钻孔施工及抽采情况

戊8-31220采面机巷上帮顺层水力造穴钻孔自2020年12月2日开始施工，截至2021年1月25日，共施工23个水力造穴钻孔，钻孔施工均为垂直机巷上帮、17°仰角沿煤层施工，孔深为60～80 m。水力造穴钻孔施工及抽采情况如表1、表2所示。

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5 水力造穴钻孔效果分析情况

5.1 造穴钻孔与未造穴钻孔抽放量

根据表1可知，水力造穴钻孔混合量为52.6～156 L/min，平均混合量为99.5 L/min，纯量为36.3～97.1 L/min，平均纯量为35.3 L/min；未造穴的本煤层钻孔混合量为7.1～12 L/min，平均混合量为9.55 L/min，纯量为3.3～4.8 L/min，平均纯量为4.05 L/min。造穴钻孔比未造穴钻孔的平均混合量提高89.55 L/min，提高了938%；平均纯量提高31.45 L/min，提高了777%，水力造穴钻孔冲出大量煤后形成的大直径空洞保证了冲孔造穴后的抽放效果［4］。

5.2 未造穴中间钻孔与本煤层孔抽放量

根据表2可知，2个造穴孔中间的未造穴孔的混合量为18～23 L/min，平均混合量为20.7 L/min，纯量为10.1～14.5 L/min，平均纯量为12.3 L/min；未造穴的本煤层钻孔混合量为7.1～12 L/min、平均混合量为9.55 L/min，纯量为3.3～4.8 L/min、平均纯量为4.05 L/min，2个造穴孔中间的未造穴孔比本煤层钻孔的平均混合量提高11.15 L/min，提高了117%，平均纯量提高了8.25 L/min，提高了203%。

5.3 抽放系统分支管路抽放浓度

在未施工水力造穴钻孔前，抽放系统分支管路抽放浓度为5%～6%，抽放纯量为0.45～0.54 m³/min，施工水力造穴孔后，抽放系统分支管路抽放浓度为13%～18%，抽放纯量为1.43～1.98 m³/min，造穴后比造穴前抽放系统分支管路抽放浓度提高了8%～12%，总浓度提高160%～200%；抽放纯量提高了0.98～1.44 m³/min，总纯量提高220%～270%。

5.4 施工水力造穴钻孔前、后采面瓦斯涌出量

根据目前采面所回采推进情况，采面已回采过去的水力造穴钻孔施工深度为50～65 m，根据表3、表4比较分析，未施工水力造穴钻孔前，采面打钻期间平均瓦斯涌出量为6.22 m³/min，生产期间为4.52 m³/min，施工水力造穴钻孔后，采面打钻期间平均瓦斯涌出量为3.97 m³/min，生产期间为2.06 m³/min，造穴后采面打钻期间平均瓦斯涌出量减少了2.25 m³/min，生产期间减少了2.46 m³/min。

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6 结 论

顺层水力造穴钻孔施工后，在同等瓦斯抽采条件下，水力造穴钻孔抽放量是本煤层钻孔抽放量的8～10倍，水力造穴钻孔施工过程中冲出了大量的煤屑，在钻孔内部形成的孔洞使周围煤体充分卸压，煤层原岩应力被破坏，使得造穴钻孔周围煤层裂隙发育，瓦斯渗透率大幅度提高，煤层中的瓦斯得到解吸和释放，从而释放出瓦斯内能，降低煤体中瓦斯含量［5］，从而降低了采面瓦斯涌出量，减少了矿井瓦斯灾害的威胁，为高瓦斯及突出矿井的安全生产提供技术保障。