2 号煤层大采深突出危险区“一穿两探”瓦斯治理技术研究

于洪喆

（冀中能源峰峰集团 邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿，河北 邯郸 056500）

冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿，为煤与瓦斯突出矿井。矿井采取的主要区域防突措施为开采4 号煤层作为2 号煤层的保护层。随着矿井进入深部开采后，由于4 号煤层不可采，必须采取预抽2 号煤层瓦斯的方法作为主要区域防突措施。该煤层瓦斯含量高、压力大、透气性差、煤体孔隙结构复杂等特征，煤层瓦斯抽采难度大，普通钻孔抽采效率低，而且钻孔施工工程量大，难以满足矿井安全生产的需要，导致矿井采掘接替紧张。因此，九龙矿在15249N 工作面掘进区域实施穿层钻孔超高压水力冲孔卸压增透试验，即：“一穿两探”瓦斯治理技术，增大煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。

1 概 况

1.1 工作面概况

15249N 工作面位于北三采区下部，南部为北五采区3 条下山，西北部为北二下部疏水巷，东部及东南部为F40 断层，北部为北三采区3 条下山。工作面地面标高+127.6～+136.8m，井下标高-730—-835 m。15249N 工作面设计走向长度841 m（平距），设计倾斜长度130 m（平距），煤层倾角16°～22°。

1.2 工作面煤层顶底板岩性

15249N 煤层顶底板岩性特征情况见表1。

表1 15249N 煤层顶底板岩性特征Table 1 15249N coal seam roof and floor lithology characteristics

1.3 煤层瓦斯情况

根据煤科集团沈阳研究院有限公司出具《冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿2 号煤层区域突出危险性预测报告》，15249N 工作面位于九龙矿第V 地质单元，属于煤与瓦斯突出危险区域。第V 地质单元原始瓦斯含量为6.04～7.79 m3/t，瓦斯压力为0.66 MPa，属于Ⅲ类不易自燃，煤尘具有爆炸危险性。

2 15249N 工作面防突措施

根据《防治煤与瓦斯突出细则》 第六十条，区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。

采取开采15449N 保护层工作面作为15249N工作面区域防突措施。15449N 工作面自2019 年7月份开始回采，由于推采过程中频繁压架等原因，对15449N 工作面进行了改造，局部留设4 号煤层煤柱。15449N 工作面自2020 年1 月份经改造后继续回采，由于推采过程中仍有压架现象不能保证正常安全生产，经研究决定，15449N 工作面不再进行推采，并对15249N 工作面设计进行了修改。为此15249N 掘进工作面对未开采4 号煤层保护层的区域采取开采保护层和穿层钻孔预抽煤层瓦斯作为区域防突措施。其中15249N 上顺槽（未保护段）、下顺槽、切眼采取穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施。

3 “一穿”增透综合瓦斯抽采技术主要技术内容及特点

3.1 “钻-冲一体化”增透技术工艺

为确保2 号煤层瓦斯的高效抽采，抽采技术需针对性破解控制煤体瓦斯渗流的主要因素，在钻孔施工阶段，选择“钻-冲一体化”技术对煤体实施增透，并优化了水射流冲孔的工艺参数，提高增透效率。“钻-冲一体化”技术设备主要由高压乳化液泵站、液压控制系统以及钻机等3 大部分组成，配备以高压水辫、高压密封钻杆、压控钻冲一体化钻头、高压射流喷嘴等关键部件，使其能够达到煤体增透效果，提高瓦斯抽采效率。

3.2 高效瓦斯抽采技术参数优化

影响水力冲孔增透效果的冲孔参数主要包括单孔出煤量、冲孔压力、封孔方式等。选择合适的冲孔参数，对煤体增透效果以及后期瓦斯抽采效率有显著的影响。

通过水力冲孔参数优化试验确定水力冲孔影响半径与最优冲孔参数后，根据测试结果布置后续水力冲孔瓦斯抽采钻孔，并对冲孔之后的钻孔瓦斯抽采效果进行考察，以达到事半功倍的效果。

为确定水力冲孔最佳参数，改进钻孔封孔方式，提高区域瓦斯治理水平，进行了3 项基本参数测试，分别包括水力冲孔有效半径测试、最佳冲孔参数测试及封孔优化试验。通过此项现场试验确定最佳冲孔参数后，再设计一套最佳钻孔布置方案，并进行现场应用效果考察。

3.2.1 水力冲孔有效影响半径优化

通过测试，煤层原始瓦斯流量较低，普遍在0.1～0.3 m3/h，冲孔之后考察孔瓦斯涌出量均有了不同程度的增加，最高可达0.45 m3/h。随着冲孔钻孔出煤量增加和钻孔的有效半径增加，出煤量从1 t/m 增加至1.2 t/m 时，钻孔的有效影响范围没有明显的增加，若要继续增加冲孔钻孔有效影响范围，便需要大幅度提高单孔出煤量，工作量提升太大，且收益较小。因此判断最佳钻孔出煤量为1 t/m，其对应的影响范围为6 m。在15249N 的上下顺槽施工水力冲孔作业时，当钻孔出煤量为1 t/m 时，冲孔钻孔间距可以设为6 m。但巷道掘进前方出现背斜、断层等，仍需适量增加钻孔出煤量或减小钻孔间距，以保证掘进作业的安全施工（图1）。

图1 出煤量1.0 t/m条件下考察孔流量变化Fig.1 The change of pore flowrate was investigated under the condition of 1.0 t/m coal output

3.2.2 水力冲孔参数优化

当冲孔压力提高时，煤体破碎效率提高，可缩短作业时间。冲孔压力为10 MPa 时，平均冲孔耗时为6.4 h，考虑到一个工作班次为8 h，去掉从地面到工作面来回消耗的估算时间3 h，一个工作班次无法完整施工完成一个冲孔钻孔，需要连续两个班次才能完成一个冲孔钻孔的作业，工作效率较低；当冲孔压力提升至15 MPa 时，平均冲孔耗时为4.55 h，冲孔耗时降低了28.9%，能够在一个班次内完整完成一个冲孔钻孔的施工，有效提高了作业效率；而当冲孔压力从15 MPa 提高到20 MPa时，平均冲孔耗时为4.28 h，只降低了5.9%，这时由于冲孔压力过高，出煤量大，容易发生卡钻、抱钻等故障，对作业效率的提升效果并不明显，反而会缩短钻杆使用寿命。同时，将水压设置过大，对巷道的供水要求也随之提高，不利于人力、物资等有效利用。因此，判断水力冲孔最优水压为15 MPa。不同冲孔压力条件下冲孔耗时见表2。

表2 不同冲孔压力条件下冲孔耗时统计表Table 2 Statistical table of punching time under different punching pressure conditions

3.2.3 封孔方式优化

在瓦斯抽采作业过程中，随着时间的推移，钻孔瓦斯浓度必然会逐渐衰减。优化钻孔封孔效果，可以有效降低瓦斯浓度衰减速率，提高瓦斯抽采效果。因此，将钻孔采用“聚氨酯封孔”工艺改成了“两堵一注式封孔”工艺，钻孔采用该封孔工艺后，减少了钻孔封堵不严、漏气现象，大大提高了瓦斯抽采浓度，钻孔瓦斯浓度衰减比例下降了22.1%，“两堵一注式封孔”工艺取得了明显效果（图2、图3）。

图2 “两堵一注式封孔”工艺钻孔瓦斯抽采浓度曲线图Fig.2 Gas extraction concentration curve of drilling hole in'two plugging and one grouting sealing'process

图3 “聚氨酯封孔”工艺钻孔瓦斯抽采浓度曲线图Fig.3 Gas extraction concentration curve of drilling hole in'two plugging and one grouting sealing'process

3.3 水力冲孔钻孔布置方案及效果

3.3.1 水力冲孔钻孔布置方案

根据上述测试试验结果，得出最优冲孔参数，出煤量1 t/m，冲孔水压15 MPa，并采用两堵一注式封孔工艺封孔。在此基础上，设计钻孔布置方式，将冲孔钻孔错位布置，中间插入普通钻孔，如图4 所示。从图4 中可看出，各个冲孔钻孔有效影响范围互相叠加，不存在“空白带”，增加了煤层渗透率，加速煤体内的瓦斯释放，从而提高了瓦斯抽采效果，消除了煤与瓦斯突出危险性，确保了安全生产。

图4 15249N底抽巷冲孔布置示意Fig.4 15249N bottom drainage roadway punching layout diagram

3.3.2 水力冲孔增透应用效果

冲孔钻孔完成冲孔作业后，该钻孔本身瓦斯抽采效果必然得到提高，但是在冲孔钻孔中间间隔布置的普通抽采钻孔的瓦斯抽采效果是否受到影响，还有待考察。因此，为研究水力冲孔对周围普通抽采钻孔的影响，现场实施过程中观测了第1 组、2组中普通钻孔在水力冲孔前后浓度的变化情况，测试结果如图5 所示。

图5 水力冲孔对普通抽采钻孔的影响Fig.5 The influence of hydraulic punching on ordinary extraction boreholes

普通钻孔瓦斯抽采浓度差异较大，最小浓度42%，最高达85%。水力冲孔后，冲孔钻孔周围普通抽采钻孔浓度都有明显的提升，最高浓度达到了95%，其中1 组的瓦斯抽采浓度平均增加了9.63%，2 组的瓦斯抽采浓度平均增加了10.99%。冲孔前后钻孔瓦斯抽采浓度变化如图6 所示。

图6 冲孔前后钻孔瓦斯抽采浓度变化图Fig.6 Change of gas extraction concentration before and after punching

同时，对已冲孔的1-11 组钻孔在冲孔当天施工前后浓度的变化情况进行了统计分析。结果表明冲孔当天受高压水力冲孔影响，钻孔瓦斯浓度都有所提升，最大浓度增长率达到了147%，平均增长率为15.7%。随着瓦斯抽采的进行，煤体进一步运移、流变，煤体裂隙会逐渐发育、扩展，瓦斯抽采流量、浓度会逐步增大。

4 “两探”主要技术特点

“两探”即在采用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施的基础上，在巷道掘进期间再采取施工长、短前探钻孔，进一步增加瓦斯释放。首先使用大功率液压钻机在掘进工作面迎头施工11 个孔深70 m 的前探钻孔，每循环巷道掘进进尺不能超过55 m，保证每掘进循环留有不小于15 m 前探钻孔超前距。工作面正常掘进期间再利用检修班次在掘进工作面迎头施工不少于10 个孔深不小于10 m的前探钻孔。通过长、短前探钻孔两次探测，即探测清楚掘进前方地质构造，又能观察瓦斯突出预兆及瓦斯浓度变化情况。

5 “一穿两探”技术应用效果

（1）优化了冲孔钻孔技术参数。优化了施工工艺与相关参数，选定最优冲孔出煤量为1 t/m，其对应的影响范围为6 m，水力冲孔最优水压为15 MPa，并设计了最优钻孔布置方案。

（2）改进钻孔封孔方式。使用“聚氨酯封孔”工艺进行封孔，钻孔的瓦斯抽采浓度下降较快，抽采30 d 后，平均抽采浓度从65%下降到30%；而采用“两堵一注式封孔”工艺封孔，钻孔瓦斯抽采浓度下降幅度较低，抽采30 d 后，平均抽采浓度只下降到50%。相较于“聚氨酯封孔”工艺封孔，“两堵一注式封孔”工艺封孔使瓦斯抽采浓度有了明显的提高，衰减比例下降了22.1%。

（3）提高了瓦斯抽采效果。通过对15249 上、下巷瓦斯抽采技术现场试验，结果表明，在未采用“一穿两探”瓦斯抽采技术前，瓦斯抽采浓度整体趋势逐渐下降，抽采30 d，钻孔浓度多低于50%；采用“一穿两探”瓦斯抽采技术后，钻孔抽采浓度急剧增加，30 d 内普遍提高20%～50%，瓦斯浓度长时间维持在较高水平，瓦斯抽采率提高30%以上。同时，通过优化钻孔布置方式，减少预抽钻孔数量50%。

（4）“一穿两探”缩短了15249N 区域瓦斯治理时间，加快煤巷掘进速度，保证了工作面正常衔接。工作面由原来断档3 个月到现在的正常衔接，按每月生产单位工资80 万元计算，则节省工资费用3×80 万元/月=240（万元）。

（5）15249N 工作面采取“一穿两探”瓦斯治理措施，增加了瓦斯抽采量，抽出的瓦斯直接输送到地面的瓦斯发电厂发电，每天增加发电量约1 万度，每度电费0.6 元计算，每年节约电费1×0.6×365=219（万元）。该项目产生经济效益459 万元。

6 结语

通过采取“一穿两探”瓦斯治理技术措施，使预抽区域煤层瓦斯含量降低至4 m3/t 以下，瓦斯压力降到了0.23 MPa。使用综掘机掘进，节省了爆破、撤人等待时间，提高了15249N 工作面掘进效率，单日进尺由4 m/d 提高到了7.2 m/d，生产期间回风瓦斯浓度可始终在0.3%以下，提前3 个月贯通，有效缓解了矿井采掘接替紧张局面，确保了安全生产。