新景矿本煤层水力造穴技术研究与应用

王军燕

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

水力冲孔技术是低透煤层预抽煤层瓦斯采用的最有效的增透措施之一[1]. 由于新景矿为高突矿井，采用本煤层常规钻孔预抽瓦斯，煤层透气性差导致钻孔瓦斯抽放量小，不利于降低煤层瓦斯含量，解决瓦斯突出问题。相关领域专家经研究认为高瓦斯突出煤层只有大范围卸压后煤层的透气性才能得到提高，瓦斯抽采量才能提高。

新景矿在3#煤掘进工作面采用了水力造穴措施，增大了煤层透气性，抽采效果取得了明显成效。为了提高工作面本煤层抽采量及煤体透气性，为工作面回采前瓦斯治理奠定基础，决定在3216工作面对本煤层钻孔水力造穴技术进行试验。

1 工作面概况

新景矿3216综采工作面位于芦南二区北翼中部，南北走向长1 390 m，工作面长度204 m，所采3#煤厚度2.17～2.45 m，煤层倾角3°～9°，结构简单。煤体瓦斯压力0.75～1.57 MPa，煤层瓦斯含量18.17～23.11 m3/t，为高突工作面。工作面布置3条主要巷道，分别为进风巷、辅助进风巷和回风巷。工作面采用Y型通风方式，即两进一回通风法。本次试验以3216辅助进风巷为起点，向本煤层打水力造穴钻孔。

2 水力造穴工艺

水力造穴工艺流程为：钻孔施工→造穴→卸钻杆→下筛管→下封孔管→封孔→接抽。其中造穴工序是试验的核心。

具体造穴工序为：钻孔施工至第一个造穴位置时，钻杆尾部更换高压旋转接头，用d 25 mm的高压快插式胶管将高压旋转接头与履带式高压水泵站出水口连接，起动钻机主高压水泵站，水泵出水压力调节到18 MPa，钻机保持低速旋转，前后1 m范围内缓慢上下钻杆，保持造穴30 min. 停止造穴。钻杆尾部更换金刚石复合钻头，继续钻进至下一造穴位置重复上述冲孔造穴流程。以此循环完成单孔所有造穴，造穴完成后退出钻杆，移动钻机到下一孔位。

造穴主要设备：ZDY4500LX型液压钻机，d 63.5 mm的三棱钻杆，d 94 mm金刚石复合片钻头。造穴装备示意图见图1.

图1 造穴装备示意图

3 布孔参数确定

3.1 钻孔间距

钻孔间距根据单孔抽采半径确定，即每相邻两孔间距应保证小于两孔抽采半径之和。即起始钻孔抽采量衰减终点能处于下一孔的抽采半径范围内[2]. 以此类推，保证钻孔抽采范围能覆盖整个工作面所推进的长度而不出现中断。如中断区域会因为钻孔抽采范围无法覆盖，当工作面推进到此区域附近时，煤体卸压释放的瓦斯无法抽采而涌向工作面造成瓦斯超限，带来安全隐患。从掘进工作面水力造穴抽采实践经验来看，单孔抽采半径为4.8～5.6 m. 因此，确定钻孔间距为5 m.

3.2 造穴间距

造穴间距的确定是保证水力造穴工艺卸压增透效果的关键，间距过大无法有效消突，过小则影响施工进度。因此，在3216掘进工作面水力造穴现场试验了5 m、7 m、9 m造穴间距，通过施工时间和卸压增透效果考察，最终确定造穴间距7 m最宜。

3.3 试验方案确定

在3216工作面辅助进风巷煤头往外约30 m处开始施工试验钻孔，试验钻孔设计2组，每10个钻孔为一组，钻孔设计长度120 m. 试验钻孔由里向外施工。为了与试验钻孔对比考察抽采效果，施工前，先按原钻孔设计及流程施工2组钻孔。

第一组：1#～10#钻孔，钻孔间距5 m. 造穴钻孔与瓦斯预抽钻孔交替施工，5个瓦斯预抽钻孔施工完毕后，再施工造穴钻孔。1#、3#、5#、7#、9#为5个造穴钻孔，从20 m开始造穴，造穴间距7 m，共设计75个造穴位置；2#、4#、6#、8#、10#共5个瓦斯预抽钻孔,工程量为1 200 m.

第二组：11#～20#钻孔，钻孔间距5 m，10个钻孔均为造穴钻孔，造穴间距均为7 m.钻孔从27 m开始造穴，共设计140个造穴位置，工程量1 200 m.

造穴位置参数表见表1.

表1 造穴位置参数表

4 应用效果考察

4.1 冲出煤量与造穴半径考察

冲孔造穴是将钻孔附近的煤体破碎排出孔洞，而其目的就是利用高压水的不断冲刷使孔洞的半径不断增大[3]， 使造穴周围煤体向孔洞内卸压变形，从而释放煤体聚集的突出压力和富含的瓦斯[4]. 扩孔半径可由下式计算[5]：

(1)

式中：

m—冲出的煤量，t；

γ—煤的视密度，t/m3；

d0—冲孔前钻孔孔径，mm；

dx—扩孔后的孔径，mm；

l—水力冲孔的煤段长度，m.

通过现场数据收集并结合式(1)计算得出：造穴钻孔平均单孔出煤量34.5 t，单孔每米出煤量0.29 t，平均造穴半径780 mm.可见，造穴钻孔范围内煤体得到了有效的卸压增透。

4.2 抽采效果考察

试验期间，钻孔抽放参数每天观测一次，经过30 d抽放，对试验钻孔中造穴钻孔与常规预抽钻孔瓦斯抽采浓度和纯量对比分析，得出试验中造穴钻孔平均抽采浓度为42.4%，预抽钻孔平均抽采浓度为26%，造穴钻孔抽采浓度为预抽钻孔的1.6倍；造穴钻孔抽采纯量平均为0.094 m3/min，预抽钻孔抽采纯量平均为0.041 m3/min，造穴钻孔抽采纯量约为预抽钻孔的2.3倍。造穴钻孔与预抽钻孔抽采效果对比见图2，3.

图2 造穴钻孔与预抽钻孔抽采浓度对比图

由图2，3可见，水力造穴钻孔抽采量在10天左右出现明显下降，经研究认为：由于3#煤为低透气煤层，无论水力造穴钻孔还是常规钻孔都有一定的抽采半径，水力造穴钻孔有效增大了抽采半径，抽采半径范围内的煤体得到了卸压增透，有利于抽采。因此，增透区域煤体抽采量很大，经过短期抽采后卸压区煤体可抽瓦斯量急剧下降，之后瓦斯抽采量主要来自未卸压的低透气煤体，此时便出现水力造穴钻孔与常规钻孔抽采量相近的现象。为考察卸压增透效果，在造穴前对试验区煤体取煤样测试瓦斯含量，经过一个月的抽采后重新测试卸压区瓦斯含量，瓦斯含量由12.47 m3/t降为7.62 m3/t，抽采达标。

图3 造穴钻孔与预抽钻孔抽采纯量对比图

5 结 论

1) 采用ZDY4500LX型液压钻机在新景矿进行水力造穴试验，造穴完成后根据现场实测得出：水力造穴钻孔平均造穴半径为780 mm，平均抽采浓度为预抽钻孔的1.6倍；平均抽采纯量为预抽钻孔的2.3倍。抽采一个月后，抽采达标，瓦斯含量大幅降低。

2) 试验研究表明，工作面本煤层应用水力造穴技术提高了突出煤层透气性，并大幅度提高工作面瓦斯预抽采量。