水力冲孔在赵庄煤业底抽巷的应用研究

2022-05-16寇龙

山东煤炭科技 2022年4期

寇龙

（山西晋能控股集团有限公司，山西晋城 048000）

赵庄煤业位于沁水煤盆地的南翼东部，井田内含煤地层主要为上石炭统太原组（C3t）和下二叠统山西组（P1s）。两组总厚153.18 m，含煤15 层，煤层总厚12.80 m，含煤系数8.33%。自上而下山西组含1#、2#、3#共3层煤；太原组含5#、6#、7#、8-1#、8-2#、9#、11#、12#、13#、14#、15#、16#共12 层煤。其中1#煤层是全区不可采的极不稳定煤层，2#煤层是局部可采的不稳定煤层，3#煤层是全区稳定的主要可采煤层之一，8-1#煤局部可采而不稳定，15#煤层是全区主要可采的煤层之一，14#、16#煤层局部可采，其余煤层虽见有零星可采点，但难以构成具有工业价值的盘区段。

赵庄煤业现回采3#煤层，瓦斯问题是制约赵庄煤业发展的最大难题，也是影响赵庄矿建设安全高产高效矿井的瓶颈。由于煤体透气性较差，百米钻孔瓦斯流量0.000 5～0.003 9 m3/（min·hm），属难抽放煤层，且钻孔流量衰减系数为 0.14～0.39 d-1，短时间内很难将煤体瓦斯含量降到8 m/t 以下。为此赵庄煤业开始了水力冲孔技术研究[1-2]，经过不断试验，目前水力冲孔技术已在赵庄煤业推广使用，达到了预期效果。

1 水力冲孔原理

水力冲孔是以岩柱或煤柱作为安全屏障，针对低透气性煤层采取的一种卸压增透措施。水力冲孔卸压增透原理如下：

（1）冲孔期间增加了煤层的透气性，致使煤体膨胀变形，扩大了抽放瓦斯影响范围，通过排放大量瓦斯，提高了抽放效率，有效地降低煤层瓦斯含量。

（2）冲出大量煤体，破坏原应力平衡状态，周围煤体在地应力作用下向四周移动，促使应力重新分布，集中应力带前移，有效应力降低，在冲孔区域内可起到卸压、防突的效果。

（3）冲出煤体后，促使煤体裂隙发育，打破了原有解析瓦斯与吸附瓦斯的动态平衡，促使部分吸附瓦斯转化为游离瓦斯，提高瓦斯抽放效果。

2 水力冲孔装备

水力冲孔主要依靠喷嘴产生的高压水对煤层进行冲刷切割，冲孔设备的性能决定着能否将煤体冲出及冲孔后的效果。冲孔需要使用的设备主要有钻机、高压水泵（清水泵）、防喷装置、高压密封钻头、高压密封钻杆、高压密封水辫、高压管、高压控制阀、高压喷头等。

（1）清水泵

赵庄煤业现采用型号为BRW200/31.5 的清水泵，额定流量为200 L/min，额定功率为75 kW，额定压力为31.5 MPa。水箱额定容量为1200 L，外形尺寸长×宽×高=2600 mm×1050 mm×1550 mm，重量700 kg。

（2）高压密封钻头

高压密封钻头主要包含两部分：前部钻头+后部水刀。钻头采用抛物线式弧角形冠部结构，分层错峰布齿，实现多轨道、分层等体积切削岩石，钻进阻力小，重复破碎少，钻进效率高，适用于中硬度-坚硬岩层施工。当压力达到4 MPa 时前部钻头自动关闭，后部水刀自动打开。水刀内部拆卸方便，根据井下实际水压更换压力弹簧。

（3）高压密封钻杆及水辫

水力冲孔过程中，为保证孔底压力满足破煤要求，采用L=1000 mm 的高压密封钻杆。钻杆及配套送水器耐压在35 MPa 以上，钻杆接头密封方式主要靠O 型密封圈和螺纹实现密封，O 型圈置于母接头螺纹根部结构。高压密封送水器主要依靠螺纹及内部特制耐高压V 型圈进行双向密封，确保水力冲孔的压力传递。

3 钻孔设计及工艺流程

（1）钻孔设计对比

普通钻孔设计为每组9 个钻孔，组间距6 m，列间距3 m，每组进尺297 m，每列相邻两个钻孔的垂距按照4.5 m 设计；水力冲孔钻孔设计为每组6 个钻孔，组间距6 m，列间距3 m，每组进尺203 m，每列相邻两个钻孔的垂距按照6.5 m 设计。钻孔设计如图1。

图1 普通钻孔与水力冲孔设计对比图

（2）工艺流程

赵庄煤业经过多次试验，最终确定了以下水力冲孔标准：冲孔压力18～25 MPa；冲孔方式为穿矸见煤后开始冲孔；出煤标准为每米出煤量不低于1.0 m3。

工艺流程对比：

普通钻孔为：开孔准备→钻孔施工→退钻→封孔→接抽；

水力冲孔为：开孔准备→钻孔施工→见煤后开启清水泵→进钻冲孔→退钻→封孔→接抽。

由于水力冲孔工序繁琐，在实际操作过程中水力冲孔效率低于普通钻孔。据统计，底抽巷普通钻孔平均每7.5 min 施工1 m，水力钻孔平均每16 min施工1 m，水力冲孔效率低于普通钻孔施工效率。冲孔过程中孔口防喷装置及接煤装置安装如图2。

图2 水力冲孔防喷装置及接煤装置安装图

4 水力冲孔效果及结论

赵庄煤业在1105 底抽巷1 单元施工了普通钻孔，2 单元施工了水力冲孔。1105 底抽巷掩护顺槽于2020 年7 月15 日开始掘进至1105 巷1、2 单元掩护区域，掘进前及掘进后相关抽采参数对比见表1。

表1 掘进前及掘进后抽采参数对比表

在单元长度相同时施工水力冲孔的进尺较普钻钻孔减少了31.6%，水力冲孔平均单孔抽放量较普通钻孔提升了87%，1 单元抽采时间225 d 瓦斯含量下降了6.23 m³/t，2 单元抽采时间206 d 瓦斯含量下降了8.26 m³/t。普通穿层钻孔掩护区域平均每月瓦斯含量下降0.83 m³/t，水力冲孔每月下降1.20 m³/t，普通钻孔合格率78.6%，水力冲孔钻孔合格率86.4%，水力冲孔抽采效果明显好于普通钻孔。