鹤煤三矿41 采区煤层增透与瓦斯抽采技术研究

尚有仕 祁乐

（鹤壁煤电股份有限公司第三煤矿，河南 鹤壁 458000）

随着煤矿开采深度的加深，瓦斯治理的难度也不断增加，面临着大埋深煤层渗透性较低、瓦斯含量大、瓦斯抽采难度和瓦斯灾害潜能不断增大。目前，防治煤与瓦斯突出灾害的方法主要有预抽瓦斯、高压注水、深孔控制爆破、浅孔松动爆破、超前排放钻孔等措施，都取得了一定的效果。国内学者对煤层瓦斯增透技术进行了大量的研究，任仲久[1]针对如何提高余吾矿主采煤层卸压增透，提出了煤层水力冲孔技术，并采用理论分析、室内电镜测试和现场工业性验证相结合的方法，结果表明该技术有效提升了煤层卸压增透效果，提高了矿井瓦斯抽采效率；李威良[2]针对如何提高永煤集团车集煤矿的煤矿瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采时间，通过瓦斯机理研究和数值模拟软件分析，在该矿采用了水力冲孔技术，现场工业试验表明，采用水力冲孔技术后，瓦斯抽采效果明显；郝从猛等[3]以贵州新田煤矿煤巷条带瓦斯治理为工程背景，结合该矿地质条件提出了水力冲压卸压增透技术，现场实践表明，采用该技术后冲孔后的平均瓦斯抽采体积分数提高了35%左右，瓦斯抽采纯量提高了1.1～5.0 倍，大幅提升了矿井煤层瓦斯抽采效率。

以鹤煤三矿为代表的鹤壁煤田，其主采煤层为山西组二1 煤，煤层具有初始透气性差、瓦斯含量高的特点，属于煤与瓦斯突出矿井。该矿瓦斯治理实践中，矿区内无保护层可采，为快速降低瓦斯含量带来了极大挑战。该矿煤巷条带治理的穿层钻孔采用传统的机械打钻技术，治理区域存在煤层透气性低、断层等因素影响，造成瓦斯抽采效率较低，且有打钻工程量繁重、煤层内钻孔布置密集度较高等缺点。为提高瓦斯预抽效果，结合矿井地质条件，决定在该矿4103 工作面下底板抽放巷作为试验地点开展水力冲孔煤层增透技术研究与应用。通过现场应用表明，该技术大幅降低了煤层残存瓦斯含量与压力，提升了煤层瓦斯抽采效率，对实现该矿采掘接替平衡和安全生产有重要意义[4-5]。

1 试验矿井及试验地点概况

鹤煤三矿1958 年12 月正式投产，设计生产能力60 万t/a，核定生产能力为135 万t/a。矿井位于鹤壁煤田中部，东西倾向宽3.1 km，南北走向长5.5 km，井田面积14.88 km2，主采煤层为山西组二1 煤层。煤层赋存稳定，结构简单，煤层倾角8°～48°，平均21°，属于倾斜煤层，煤层透气性系数为0.334～0.616 m2/（MPa2·d）。矿井绝对瓦斯涌出量53.10 m3/min，相对瓦斯涌出量25.76 m3/t，属煤与瓦斯突出矿井。2010 年后，鹤煤三矿浅部资源逐渐枯竭，目前四水平的41 采区开采深度已达800 m，进入深部开采阶段，所采二1 煤平均煤厚为7.89 m。依据河南理工大学编制的瓦斯突出危险性测定报告，41 采区初始瓦斯压力为1.4 MPa，初始瓦斯含量为13.137 9 m3/t，由于四水平受322 背斜和321 向斜影响，41 采区内伴生有大量正断层。

4103 工作面下底板瓦斯抽采巷位于四水平南翼41 采区南部，北部为四水平南翼第一辅助回风联络巷，西部为四水平南翼回风上山，东部为未开拓新区，地面标高一般+200～+237 m，井下标高一般-580～-690 m。目前该巷道已掘进完毕，巷道顶板岩层依次为砂质泥岩、泥质砂岩、中粒砂岩，采用初喷浆+锚网支护，宽×高=5200 mm×3600 mm。该巷道地质构造复杂，岩层产状变化大。根据底抽巷掘进和已掌握地质资料，采区内将不可避免地受到断层影响。因此，及时实施水力冲孔煤层增透技术等措施，治理煤层潜在突出危险性是非常必要的[6-7]。

2 水力冲孔卸压防突措施原理

在瓦斯突出机理探究中，动力灾害的发生是煤层地应力、瓦斯压力和自身强度等因素综合作用的结果。为达到采面快速投产要求，进一步使用了消除集中地应力、破坏煤层完整性的冲（扩）孔措施。该项工艺中，当钻杆打入煤层深部，高压水流经钻头不断冲击周边煤体，使煤层碎块伴随流水排出，形成环绕钻孔的较大空穴，打破了原有地应力和瓦斯的平衡状态。除此之外，冲孔后的残存水能有效湿润煤层，进一步降低煤体力学强度，并增大自身变形量，有助于释放所积攒的弹性能[8-9]。其增透原理如图1。

图1 水力冲孔的煤层增透原理

在水力冲孔工艺中，按照操作步骤分为两个环节：首先是钻机在底抽巷实施的穿层钻孔，孔底需到达煤层顶板0.5 m 深度；其次是钻头侧向喷嘴的水射流步骤。冲孔时，首先启动高压泵站并调节水压至设计值10 MPa，随后打开钻头侧向喷嘴，高压水伴随钻机退杆而不断旋转切割煤体（每米钻孔切削时间不低于15 min），达到扩大单孔破坏影响区的目的。

3 水力冲孔施工工艺及设备

3.1 水力冲孔施工设备及工序

4103 下底抽巷施工水力冲孔采用钻机型号为ZDY7300LX，水力冲孔泵型号为BQWL315/16-XQ315/12 清水泵，筛管型号为Φ40 mm×2000 mm，封孔管规格型号为Φ50 mm×20 000 mm。钻杆规格型号为Φ89 mm×1000 mm，钻头规格型号为Φ133 mm，使用“两堵两注”方式封孔。其水力冲孔工序如下：

1）准备和稳钻。① 打钻地点检测瓦斯符合规定，巷道顶帮及支护完好，退路畅通。② 钻机各部件完好、油箱油量符合规定。③ 钻孔回风侧10 m 范围内，吊挂瓦斯传感器，下风侧3 m 范围内，悬挂便携式瓦斯报警仪。④ 正确安装防喷装置。⑤ 灭火器和黄土箱符合规定。⑥ 移动钻机到标定钻孔位置，标定钻孔位置符合设计要求。⑦ 按设计方位倾角对钻机定位并二次确认钻孔符合规定。⑧ 对钻机打压柱将钻机固定牢固。

2）打钻。① 连接使用好各种管路。② 钻机空载运行正常，方可接上钻杆、钻头及冲孔装置，由司机操作开始试验钻机运行情况和冲孔设施是否正常使用，试验正常开始施工。③ 正确安装防喷装置后，排查钻机及四周无隐患，确认安全后开始钻进。

3）水力冲孔。① 再次确认围堰、高压管路、压力表连接可靠、沉淀池无煤粉、防喷孔装置等正常使用符合规定。② 记录好见煤深度和煤段长度，穿煤见岩0.5 m 后，退至煤岩交界处开始冲孔或造穴。③ 开启高压泵进行水力冲孔，冲孔压力不小于10 MPa 或机械造穴不小于6 MPa 正常使用。④ 在每根钻杆冲孔结束后，打开卸压闸门，关闭高压水闸门后方可接卸钻杆。

4）冲孔计量。① 钻孔煤量验收采用视频验收方式。② 冲孔时施工人员向打钻视频监控人员汇报，使用计量箱为计量工具，根据计量箱规格视频监控人员记录冲孔时间及计量箱装煤斗数情况。③ 单孔穿煤冲出煤量符合规定。

5）封孔注浆。① 施工人员根据实际见煤位置与钻孔实际深度计算硬管直连长度及筛管根数，按照封孔规定进行封孔，孔壁外余硬管长度小于0.5 m，方便连接带抽。② 硬管与筛管之间连接及筛管与筛管边头连接都必须进行抹胶操作，确保连接牢固。③ 封孔浆液水灰比例1:2，先注前后囊袋，再注中间注浆段，出浆频率和稳压时间符合措施要求。

6）临时带抽，打钻结束。① 当班施工结束后，必须随打随封及临时带抽（临时带抽管与抽放管路连接两端用卡箍绑扎牢固），严禁临时插接，避免抽管脱落造成瓦斯异常。② 及时清理积水和杂物。③ 保养设备，做到设备整洁，配件齐全。

3.2 4103 工作面消突钻孔布置

抽采钻孔控制范围为巷道轮廓线外15 m，4103下底抽巷传统穿层钻孔直径为94 mm，平均孔深42.7 m，形成5 m×5 m 的矩阵形式。在2 组穿层钻孔中布置1 组水力冲孔钻场，采用这种间隔交替式布置方式能在一定程度上减少底抽巷的水力冲孔的工程量及冲孔时间，且由于水力冲孔半径的有效影响范围较大，这种布置方式并不会导致底抽巷条带治理的空白带。其中对于冲孔钻孔，成孔直径为500 mm，孔底进入煤层顶板，但其布置方式与消突煤层条件密切相关。以揭露断层消突为例，该位置瓦斯含量远超其他区域，参考三矿已有消突经验，在所划定消突区域，以4.9 m 为间隔布置水力冲孔，其瓦斯消突效果较好。41 采区煤层消突范围与抽采钻孔配置如图2。

图2 4103 工作面消突范围与抽采钻孔配置图

4 4103 工作面下底抽巷水力冲孔技术应用效果

4.1 煤层消突效果与瓦斯流量衰减规律

由于该矿四水平煤层透气性较差，导致原采面瓦斯有效抽采半径仅为2.98 m，对瓦斯流量衰减和扩大钻孔抽采范围有不利影响。因此，参考瓦斯流量衰减方程，41 采区二1 煤层瓦斯流量衰减计算式[10]：

式中：Qt为当日瓦斯流量，m3/min；Q0为抽采第一天的瓦斯流量；a为流量衰减系数，d-1；t为抽采时间，d。

对于41 采区煤层扇形消突区，受钻进仰角影响，各分段钻孔长度不一，需将各钻孔所获瓦斯数据转换为统一单位—百米钻孔瓦斯流量值。基于此，将所获瓦斯数据进行指数拟合，获得流量衰减规律，其结果如图3 和表1。

图3 消突钻孔内瓦斯流量与煤层透气性系数

表1 普通钻孔与冲孔钻孔瓦斯流量衰减系数拟合方程

钻孔类型 拟合方程 瓦斯流量衰减系数y=0.048 8e-0.022x 0.022抽采钻孔y=0.057 7e-0.033x 0.033 y=0.044 9e-0.018x 0.018 y=0.033e-0.016x 0.016冲孔钻孔y=0.028 2e-0.014x 0.014 y=0.061 2e-0.003x 0.003

由表1 中数据拟合结果可知，各类钻孔对消除瓦斯含量有极大的促进作用。对于普通钻孔，4103下底抽巷内瓦斯流量衰减系数为0.02～0.033 d-1，均值为0.021 d-1。对比水力冲孔钻孔，瓦斯流量衰减系数更为均匀，其值更低，约为0.003 d-1。说明新工艺充分促进了煤层裂隙扩展，促使瓦斯从低透区向钻孔内转移。

除瓦斯流量数据外，对于煤层防突效果的评估还包括瓦斯残存压力与含量等指标。根据条带治理任务相关要求，第一轮均为穿层钻孔抽采，而未进行水力冲孔。当钻孔抽采完毕，对消突煤层进行取样解吸工作。其结果表明，该区域煤层最大残余瓦斯压力0.34 MPa，最大残余瓦斯含量11.42 m3/t。作为对比，预抽20 d 后，执行第二轮区域防突措施并进行水力冲孔。经相同解吸实验，在观察范围内，最大残余瓦斯压力0.26 MPa，瓦斯含量降低至6.23 m3/t。截至2023 年8 月，该段煤层最大残余瓦斯压力0.12 MPa，残余瓦斯含量约4.87 m3/t。由此可知，41 采区煤层通过实施水力冲孔增透技术，不仅提高了瓦斯抽采效率，还达到快速降低瓦斯含量的目的，为矿井四水平的安全生产奠定基础。

4.2 抽采管路内瓦斯浓度变化规律

当进入瓦斯抽采阶段，游离态瓦斯都需经抽采管路并网后汇入地面瓦斯发电站。在此过程中，钻孔类型和抽采时间都会对管路内瓦斯浓度产生影响。为更好比较消突措施增益性，除煤层增透改良效果外，又进行了抽采管路瓦斯浓度对比。因此，选择临近月份、不同钻孔抽采管路内瓦斯浓度变化规律如图4。

图4 瓦斯抽采管路内浓度变化

在瓦斯浓度图中，选用2#、3#穿层钻孔和21#、31#冲孔钻孔作为对比。此时，普通抽采钻孔内瓦斯浓度保持约43%，低于瓦斯抽采浓度55%平均值；观察水力冲孔段煤层，此时抽采管路内瓦斯浓度显著高于普通钻孔，浓度值约70%。钻孔内瓦斯浓度均呈现稳定衰减的趋势，但冲孔段的瓦斯浓度仍然是普通钻孔的1.2 倍，该措施的长期消突效果也得到验证。

由此可见，水力冲孔有效改变了煤层原有内应力，煤层破坏程度也更高，新增裂隙可诱导游离瓦斯的快速涌出，这是水力冲孔区域内瓦斯浓度远高于普通钻孔的原因。除此之外，冲孔裂隙也可连通至其他钻孔的塑性破坏区，有助于深部瓦斯向钻孔内转移。

4.3 水力冲孔有效影响半径

为更好评判水力冲孔影响半径，选取4103 工作面下底板抽放巷5 号钻场分别布置1#观察孔和1#水力冲孔、2#观察孔和2#水力冲孔，如图5，采用主动压力法测定该措施的影响范围。

图5 瓦斯抽采观察孔与水力冲孔布置

当高压水流冲击在煤体表面，持续的冲击力会使受冲击煤层内部产生连续的内应力，当冲孔继续进行，集中应力超过煤层强度极限，煤体产生拉伸破坏，瓦斯快速向抽采孔转移，导致观察孔内压力降低至零。由图6 可知，1#和2#观察孔的瓦斯压力在冲孔30 min 后均明显降低，说明1#和2#考察孔均布置在冲孔有效影响半径内，即水力冲孔有效影响半径为7.5～8.0 m。

图6 观察孔内瓦斯压力随冲孔时间变化

5 结论

1）实施水力冲孔增透技术，提高了煤层自身透气性，达到快速降低瓦斯压力和含量的目的，实现了瓦斯的快速抽采与煤巷的安全快速掘进，提高了矿井生产效率。

2）采取穿层水力冲孔措施，使巷道内煤体压力得到充分卸压，煤体释放应力的同时增加了煤层透气性，使瓦斯充分释放。对比水力冲孔钻孔、普通抽采钻孔内瓦斯流量系数，前者瓦斯流量衰减系数更低，卸压增透效果更好，后期（7 d 以后）水力冲孔内瓦斯浓度仍可保持60%～70%以上。

3）对比原有穿层瓦斯抽采措施，水力冲孔法效率更高，有效消突半径快速扩大至7.5～8.0 m，是原有措施的2.3 倍，瓦斯含量下降至安全限定值以下仅需8～10 d，大幅减少抽采消突所用时长。