煤巷顺层瓦斯抽采钻孔水力冲孔增透技术研究

2022-08-10郭育东

山东煤炭科技 2022年7期

郭育东

（山西沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西晋城 048000）

在高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井的煤巷掘进工作面掘进过程中，对掘进前方的煤层瓦斯进行超前预抽卸压是保证煤巷安全掘进的必要条件。在执行超前瓦斯预抽过程中，瓦斯抽采效果差、预抽时间长是影响煤巷掘进工作面安全、高效生产的主要影响因素，究其原因，除煤层自身瓦斯含量较高外，还与抽采技术、煤层透气性等因素相关[1-3]。因此，为解决高瓦斯煤层煤巷掘进工作面的高效超前瓦斯预抽难题，必须优化抽采技术，增加煤层透气性，以提高瓦斯抽采效率。以侯村煤矿3605 工作面回风顺槽煤巷掘进工作面的超前瓦斯预抽为工程背景，研究煤层增透技术以提高瓦斯抽采效率，解决该煤巷工作面掘进前方瓦斯预抽难度大、抽采效率低下问题。

1 工程概况

沁和能源集团有限公司侯村煤矿年产量120万t，属高瓦斯矿井。该矿3607 工作面回风顺槽设计工程量1420 m，掘进的3 号煤层厚度2.7～8.2 m，均厚5.5 m，煤层倾角5°～8°，煤层硬度系数0.35，煤层透气性系数为0.46 m2/MPa2·d，属低透气性煤层。煤层顶板为较为致密的粉砂岩及中粒砂岩，底板为砂质泥岩与泥岩互层。3607 工作面回风顺槽设计沿煤层顶板掘进，采用锚网索联合支护，断面形状为直墙矩形，断面规格为宽×高=5.5 m×3.8 m。

3607 工作面回风顺槽掘进区域煤层原始瓦斯压力为1.67 MPa，瓦斯含量平均8.96 m³/t，在掘进前必须进行超前瓦斯预抽。该巷在掘进过程中，采取的瓦斯防治措施为超前顺层钻孔预抽煤层瓦斯。在预抽过程中，采取常规抽采方法存在抽采效率低、工期长及掘进期间仍存在风排瓦斯量较高等问题，主要原因为煤层透气性较低。为提高瓦斯抽采效率，保障煤巷掘进工作面的安全、高效掘进，需对顺层钻孔增透助抽开展技术研究。

2 煤层水力冲孔增透技术分析

2.1 水力冲孔增透原理

采用水力冲孔进行煤层增透卸压的主要原理是利用高压水对钻孔孔壁进行射流冲刷，使冲刷掉的煤体形成水煤随钻孔流出，从而使孔壁产生数倍于钻孔孔径的圆柱形空洞。形成较大空洞后，空洞周围煤体在围岩应力及瓦斯应力的共同作用下向空洞空间产生位移变形，即冲孔后的卸压过程。在卸压过程中逐步向深部产生裂隙，从而实现煤层增透。煤层增透后促进了煤层中瓦斯的解吸与排放[2]，瓦斯抽采难度得到有效降低。故通过水力冲孔后的抽采钻孔，在抽采期间其瓦斯抽采效率将大大高于常规钻孔。

2.2 不同类型钻孔水力冲孔对比分析

对煤层进行瓦斯抽采的钻孔主要分为穿层钻孔和顺层钻孔。目前，通过水力冲孔进行煤层增透卸压主要在煤层底板岩巷施工的穿层钻孔中应用较多，主要原因为底板岩巷穿层钻孔成型及稳定性较好，水力冲孔过程中不易出现塌孔、堵孔现象，且冲孔期间产生的水煤自上向下容易流出，通过控制冲孔水压及时长即可控制冲孔卸煤量，从而实现冲孔卸压及煤层增透的目的，但存在底板岩巷工程量大、需布置的钻孔较多等问题。在煤层中钻进的普通顺层瓦斯抽采钻孔，其直径通常在73～140 mm 之间，加之煤层硬度相对较低，在钻进过程中对孔壁周围扰动较小，无法通过钻进扰动实现煤层致裂增透的作用，故在低渗透性的煤层中采取的普通顺层钻孔瓦斯预抽过程中，存在预抽时间长、抽采效果差等问题。煤层中的顺层钻孔若采用水力冲孔，则会因煤层内钻孔易塌孔导致冲孔过程中易堵孔，另存在因顺层钻孔倾角较小导致水煤流出较为困难问题，需通过研究钻孔布置、冲孔工艺及卸煤量控制等技术以解决冲孔期间的塌孔、堵孔问题，但采用顺层钻孔进行水力冲孔，具有钻孔工程量小、钻孔利用率高等优点。在掘进过程中可根据前方煤层瓦斯赋存状况进行灵活运用，对煤巷高效掘进及降低工程成本具有较大优势。

2.3 顺层钻孔水力冲孔的关键技术分析

（1）冲孔工序的确定。水力冲孔期间，单孔内冲孔顺序必须是由里向外，可减少堵孔因素，完成全部冲孔后需再钻进至孔底透孔，确保成孔后埋管抽采的顺利进行。

（2）冲孔水压的控制。冲孔水压过大，短时间内将产生大量水煤，在流出困难时易发生堵孔；冲孔水压过小，则冲孔效率相应偏低，且造穴空间较小，达不到预期效果。故冲孔水压的控制，应根据现场实践能够控制水煤大量顺利流出的情况下进行确定。

（3）冲孔造穴控制。主要需控制冲孔造穴的空间大小及造穴间距，造穴空间过小，易受应力影响重新压实，导致致裂增透效果欠佳；造穴空间过大，易造成空洞稳定性较差，发生大范围塌孔及堵孔现象。根据目前众多实践及理论分析成果可知，造穴空间长度宜控制在1 m 左右，造穴半径宜控制在0.5 m 以内[4-5]，造穴间距与周围钻孔的密度相关，但不宜小于4 m，确保钻孔造穴后的稳定性。顺层钻孔水力冲孔造穴间距控制示意图如图1。

图1 顺层钻孔水力冲孔造穴间距控制示意图（m）

3 水力冲孔工艺与方案

3.1 水力冲孔系统

水力冲孔系统包含用于储水、过滤的水箱，用于水力增压的高压泵及压力表，以及组成钻进设备的钻机、钻杆和连接钻杆的水力冲孔接头等，其组成如图2。

图2 水力冲孔系统组成示意图

3.2 水力冲孔工艺流程

（1）将水箱、高压泵与钻机连接后，在钻头往后的第2～3 根钻杆位置连接水力冲孔接头，然后在设计施钻位置开始钻进，利用螺旋钻杆排出钻进煤粉，直至钻进至设计孔深位置停钻。

（2）确认水箱、高压泵及管路连接密闭良好后，开启高压泵，待压力升至设计压力后，缓慢开启控制阀，向钻杆内注入高压水，直至观察孔内有水流出。

（3）钻孔内有水流出后，开启钻机，同时将高压控制阀完全打开，钻机带动钻杆继续向前缓慢钻进进行水力冲孔，长度达到一个造穴长度后停钻并停止冲水。

（4）水力冲孔完成一个造穴长度后，将钻杆退出一个造穴间距加上一个造穴长度后，重新开启高压泵冲水并开启钻机向前钻进进行水力冲孔造穴。如此往复进行后退式冲孔，直至完成一个钻孔的全部冲孔设计。

（5）完成一个钻孔的全部冲孔后，在停水状态下，再向钻孔内钻进至设计孔深，并开启压风排粉，达到透孔的目的。

（6）透孔完成后，将钻杆全部退出，采用两堵一注法对该孔进行埋管抽采。

3.3 钻孔布置及冲孔造穴方案设计

设计超前瓦斯抽采钻孔循环深度为100 m，钻孔呈扇形布置，前方控制100 m，巷道两侧控制不小于30 m，断面内共布置9 个钻孔，冲孔水压控制最高16 MPa。根据钻孔布置，设计单孔造穴间距时，因钻孔由浅至深呈现钻孔间距由小到大的变化，将钻孔按照深浅划分为4 个区域。其中，钻孔80～100 m 范围划分为Ⅰ区，造穴间距设计为5 m；钻孔60～80 m范围划分为Ⅱ区，造穴间距设计为6 m；钻孔40～60 m范围划分为Ⅲ区，造穴间距设计为8 m；钻孔20～40 m 范围划分为Ⅳ区，造穴间距设计为14 m。造穴长度均设计为1 m。根据钻孔布置及造穴密度，各区域造穴数量、出煤量及出煤率要求见表1，钻孔设计及造穴布置如图3。

表1 各区域水力冲孔出煤率要求表

图3 钻孔设计及造穴布置方案示意图（m）

4 效果分析

3607 工作面回风顺槽在超前预抽钻孔施工第8循环中采取了水力冲孔增透措施，为验证水力冲孔增透效果，充分收集了第8 循环的瓦斯抽采纯量、抽采浓度及抽采时间，并与仅采取普通顺层钻孔抽采的第3 循环进行对比，两个循环所收集的瓦斯抽采数据如图4。

图4 水力冲孔增透后瓦斯抽采数据图

由图4 分析两个循环在10 d 内抽采的瓦斯数据可知，3607 工作面回风顺槽在第三循环平均瓦斯抽采浓度为18%，平均瓦斯抽采纯量为0.38 m³/min；采取了水力冲孔增透措施的第8 循环在10 d 内平均瓦斯抽采浓度高达34%，是第3 循环的1.9 倍，平均瓦斯抽采纯量高达2.3 m³/min，是第3 循环的6 倍。根据两个循环对比可知，采取水力冲孔后的钻孔瓦斯抽采效率得到大幅提升。

另根据瓦斯抽采达标时间进行对比，第3 循环钻孔全部成孔时间为3 d，预抽至抽采达标时间为19 d，共计循环瓦斯治理时间为22 d；第8 循环钻孔成孔及水力冲孔时间为7 d，预抽至抽采达标时间为12 d，共计循环瓦斯治理时间为19 d，相对第3 循环减少3 d。且第8 循环瓦斯抽采后，残余瓦斯含量及钻屑解析指标的测试结果均明显低于第3 循环，巷道内风排瓦斯量也有明显降低，有效保障该巷的安全掘进。