本煤层模块化水力造穴增透试验探究

张 波

(山西晋能控股煤业集团 三元中能煤业有限公司，山西 长治 046600)

中能煤业主采3号煤层，该煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.006 3 d-1、透气性系数为0.412～0.88 m2/MPa2·d，属于可以抽放煤层。井下瓦斯含量测量结果显示：本区域煤层瓦斯解吸速度慢，且60%～70%瓦斯为粉碎解吸量，直接导致抽采钻孔单孔抽采量低；同时本区域地应力大，且复杂多变，钻孔成孔后易塌孔，抽采区域地应力难以释放，进而抑制瓦斯解吸，致使抽采钻孔单孔抽采量衰减快。

目前，矿井瓦斯治理措施以顺层钻孔预抽为主，在日常工作中存在钻孔工程量大、易塌孔、单孔纯量低等问题，直接导致抽采达标时间长，进而造成矿井抽掘采平衡严重失调的局面。为此，结合水钻释放孔施工经验和煤层实际条件，在2307工作面试验水力造穴+下筛管技术[1-3]。

1 试验方案

结合矿井煤层赋存条件和生产实际[4-5]，在2307工作面分三个阶段进行试验：

1) 2307工作面开切眼回风通道实施5个钻孔，采用全程水力造穴方式验证水力造穴+下筛管技术在中能煤业使用的可行性及抽采效果高效性；钻孔参数及施工工艺：钻孔均为-1°下行孔，钻孔长度85～100 m，其中1号孔、2号孔施工工艺：D120 mm水钻钻进—全程水力造穴—下筛管；3号孔、4号孔、5号孔施工工艺：D120 mm水钻钻进—掏穴D260 mm—全程水力造穴—静压水洗孔—压风冲孔。

2) 在2307工作面开切眼实施12个水力造穴钻孔，采用间隔水力造穴方式验证水力造穴在已抽区域对活化衰老钻孔的可靠性；钻孔参数：钻孔间距为6 m，造穴段间距8 m，造穴长度1 m，钻孔距底板1.5 m，单排布置12个水力造穴钻孔，采用间隔水力造穴方式。

3) 在2307工作面运输巷布置水力造穴钻孔，未抽采区域推广水力造穴+下筛管技术，即水力造穴钻孔孔距为4 m，造穴段间距8 m.

2 试验效果分析

为了全面分析水力造穴钻孔与普通钻孔在瓦斯抽采效果、推广应用方面的可行性和必要性，从单孔抽采纯量、钻孔纯量衰减分析、水力造穴钻孔活化效果、水力造穴钻孔与普通钻孔综合效率等方面进行综合评价。

2.1 单孔抽采纯量

1) 第一阶段：全程水力造穴试验。不同施工工艺下的水力造穴钻孔单孔抽采纯量均大于普通钻孔，最大为6.39倍，如表1所示。

表1 不同施工工艺水力造穴试验钻孔工艺及参数

2) 第二阶段：间隔水力造穴试验。2307工作面间隔水力造穴钻孔施工后，钻孔周围煤层裂隙发育，同时水力造穴钻孔与周边普通钻孔存在裂隙联通，对周边衰老钻孔起到了明显活化作用。水力造穴钻孔单孔抽采纯量明显比普通钻孔大。水力造穴钻孔和普通钻孔的单孔抽采纯量如表2所示。

表2 水力造穴钻孔和普通钻孔的单孔抽采纯量

3) 第三阶段：推广运用。在2307工作面运输巷实施水力造穴钻孔，未抽采区域推广水力造穴+下筛管技术，与普通钻孔抽采纯量对比如表3所示，结果表明水力造穴钻孔单孔抽采纯量明显比普通钻孔大。

表3 水力造穴钻孔和普通钻孔的单孔抽采纯量

2.2 钻孔抽采纯量衰减分析

由于水力造穴试验钻孔数量较多，选择4号、5号、6号试验孔进行抽采纯量衰减分析。

1) 水力造穴钻孔在抽采第1～2 d内，平均为0.139 9 m3/min，随后纯量快速上升，然后逐步下降，逐渐趋向于一个稳定值。分析原因主要有两点：①采用水力造穴卸压增透措施后，钻孔内部煤体暴露面积增大，煤体卸压，促进煤体瓦斯解吸，煤层透气性显著增加，钻孔煤壁大量游离瓦斯涌出，随着抽采时间的继续增加，孔内积水不断被抽走，造穴扰动区域瓦斯将陆续运移至钻孔处，则出现抽采纯量上升的现象；②随着时间的推移，钻孔附近煤体瓦斯含量显著下降，而此时由于抽采时间较短，深部瓦斯尚未运移至钻孔处，同时由于孔内积水难以排尽，煤壁瓦斯被积水掩盖，这也就造成了纯量显著下降的现象。纯量上升后煤体游离瓦斯不断减少，吸附瓦斯开始解吸，二者达到一个相对平衡状态，即抽采纯量出现下降并趋于稳定。

2) 4号、5号、6号试验孔采用间隔水力造穴工艺分别在21 d、2 d、44 d后流量趋于稳定，衰减系数分别为0.000 6、0.015 3、0.003，平均为0.006 3 d-1.如表4所示。

2.3 水力造穴钻孔活化效果

根据钻孔瓦斯统计结果显示：普通钻孔抽采浓度为0.14%～23%之间，平均浓度6.3%；实施水力造穴钻孔后，周边钻孔浓度提升明显，影响半径为3 m，最远可影响到4～5 m，平均浓度由6.3%提升至44%，单孔浓度最高提升至80%.

表4 钻孔抽采流量衰减系数

受水力造穴钻孔活化周边衰老钻孔因素影响，水力造穴钻孔抽采区域的抽采效率为普通钻孔抽采区域的5.77倍，理论上可将抽采达标时间缩短至原有的17%.同时由于水力造穴钻孔造穴直径大，抽采半径大，能够对煤层全厚度卸压增透，因此具备抽采全厚煤层瓦斯的能力，解决了目前打钻工艺下部分层位煤层难以抽采的问题。

2.4 水力造穴钻孔与普通钻孔综合效率分析

1) 施工时间。矿井顺层钻孔设计深度为120 m，水力造穴钻孔造穴参数：30 m起始造穴、造穴间距8 m、造穴段长度1 m，水力造穴钻孔单孔用时比普通钻孔多18.4 h.按照基本抽采单元施工区域8 m，水力造穴间距4 m，普通钻孔间距1 m，需要施工2个水力造穴钻孔、8个普通钻孔，则总用时分别为63.4 h(2.64 d)、106.4 h(4.40 d)，即在一个基本抽采单元施工区域内水力造穴钻孔施工总用时比普通钻孔少1.76 d.

2) 施工成本。按照基本抽采单元施工区域8 m，水力造穴间距4 m，普通钻孔间距1 m，需要施工2个水力造穴钻孔、8个普通钻孔。经统计，一个基本抽采单元内，水力造穴钻孔总成本为60 733元，普通钻孔总成本为65 518.6元。水力造穴钻孔总成本为普通钻孔的92.7%.

3) 抽采效率。根据2307工作面运输巷瓦斯抽采数据结果，在未抽采区域水力造穴钻孔单孔抽采量为普通钻孔的5.55倍，在一个基本抽采单元内采用水力造穴工艺的抽采纯量为普通钻孔的1.90倍。

通过上述水力造穴钻孔和普通钻孔瓦斯抽采的统计结果，2307工作面一个基本抽采单元采用普通钻孔时，抽采达标时间为4.5 a；采用水力造穴钻孔抽采达标时间为1.33 a.

4) 成孔率。根据本区域内普通钻孔和水力造穴钻孔成孔率统计，2307工作面运输巷内普通钻孔成孔率为57.5%；水力造穴钻孔采用前进式间隔造穴工艺，能有效对煤层进行卸压，基本杜绝了塌孔、夹钻现象，水力造穴钻孔成孔率为94.5%.

3 结 语

1) 从单孔抽采纯量方面比较，水力造穴钻孔抽采纯量为普通钻孔5.55～7.44倍。

2) 工作面实施水力造穴钻孔后，可有效活化周边衰老钻孔，钻孔浓度提升明显，钻孔平均浓度由活化前的6.3%提升至44%，活化半径为3 m；活化后水力造穴钻孔抽采模块抽采效率为普通钻孔抽采模块的5.77倍，理论上可将抽采达标时间缩短至原有的17%；同时水力造穴钻孔造穴直径大，抽采半径大，能够对煤层全厚度卸压增透，具备抽采全厚煤层瓦斯的能力，解决了目前打钻工艺下部分层位煤层难以抽采的问题。

3) 从钻孔施工速度及成本、抽采效率、成孔率方面进行综合对比，水力造穴钻孔明显优于普通钻孔。

4) 以2307工作面一个基本抽采单元为例，采用普通钻孔时，抽采达标时间为4.5 a；采用水力造穴钻孔抽采达标时间为1.33 a；综合考虑工作面水力造穴钻孔的活化半径及活化效果、钻孔施工速度及成孔率等因素，工作面可采用水力造穴钻孔与普通钻孔交错布置形式。