高压水射流卸压增透瓦斯治理技术研究与应用

孙大亮

（国投新集公司 新集一矿，安徽 淮南 232170）

1 概述

石门揭穿突出危险煤层时一般具有较大的突出危险性，且突出强度高。相关资料表明，石门揭煤时的平均突出强度为煤巷的7～14倍。千吨以上的特大突出90%是发生在石门揭煤时，突出瓦斯涌出量比较大。石门揭煤地点的煤层瓦斯压力、应力都处于原始状态，揭穿煤层时，工作面由坚硬的岩层突然进入较松软的煤层，这些因素都为发生突出提供了有利的条件。同时，因石门揭煤施工工艺的特殊性，揭穿突出煤层的全过程都有危险，并可能发生连续突出、延期突出和自行揭开突出，比一般类型的突出对人身安全的危害更大；另一方面，新建矿井、新水平或新采区的准备又不能避免石门揭煤。因此，石门揭煤前制定合理有效的专项防突技术，对矿井石门的安全、高效揭煤具有十分重要意义。

近年来，随着机械化采掘的日益发展，开采深度逐渐增加，煤与瓦斯突出的危害程度日益严重，特别是高应力、大采深的松软低透煤层，需要耗费大量时间和工程量抽放，易造成生产接替紧张。因此如何在高应力大采深的松软低透强突出煤层中提高瓦斯抽采率，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，是矿井瓦斯灾害防治急需解决的关键问题。

2 工程概况

新集一矿-700m 中央行人暗斜井巷道在H103点北7.6m，继续向前施工5.6m、12.5m、29.6m、55.4 m、69 m 将分别从巷道顶板揭露4煤、5-1 煤、5-2煤，揭煤标高均为-701.351m。巷道所揭4煤、5煤区段位于F10断层以北，6～7勘探线之间，所揭4煤、5煤属未进行突出危险性鉴定煤层，6煤属突出煤层未划分区域，所揭煤层均为新水平首次揭露。目前本矿采用的穿层钻孔预抽还是以原始煤体的透气性抽放瓦斯，单孔抽放量小，预抽时间长，抽放效果不是很好（见表1、表2）。该巷为本矿三水平开拓重点工程，揭煤工期至关重要，为加快新水平开拓进度，本矿与科研单位合作，采取强化卸压增透措施。

表1 -700 m中央行人暗斜井揭4、5煤瓦斯参数测试结果

表2 -700 m中央行人暗斜井揭4、5煤△P、f值测试结果

3 高压水射流防突机理分析

1）冲出大量煤体，为煤体膨胀变形提供了充分的空间，周围煤体在地应力作用下发生了膨胀变形，使地应力向四周移动，即起到局部卸压作用。

2）不但冲孔期间排放大量瓦斯，而且由于煤体的膨胀变形，增加了煤层的透气性，扩大了瓦斯抽采半径，提高了抽排效率，有效地降低煤层瓦斯含量。

3）湿润煤体，使煤体减少脆性，增加了煤体塑性，降低煤体弹性势能，另外，湿润煤体后，可降低煤体中残存瓦斯的解吸速度，减小瓦斯膨胀能。

4 高压水射流的应用

新集一矿-700m 中央行人暗斜井揭5煤期间在巷道迎头及两帮钻场共设计68个预抽钻孔，其中选取5个钻孔采取高压水射流卸压增透措施，评价单元安装V 锥自动计量装置对瓦斯浓度、抽放量等参数进行比较，后期再施工测压钻孔进行残余瓦斯压力测定。

4.1 现场试验效果

2013年9月8日至2013年10月17日所有钻孔施工完成，实际施工68个钻孔，总工程量2552.2m，其中冲孔5个，冲孔记录见表3，措施孔竣工情况见图1。

表3 -700 m中央行人暗斜井揭5煤冲孔记录

图1 -700 m中央行人暗斜井揭穿5煤层区域防突措施钻孔竣工图

4.2 提高瓦斯浓度和抽放量

揭煤区域共设计施工5个高压水射流钻扩一体化扩孔试验钻孔，根据式（1）计算单个钻孔排出煤屑率η煤渣，扩出煤屑的排屑率见表4。

表4 单孔排除煤屑量

由表4 可知，试验钻孔的排出煤渣率为1.6%～2.7%，试验应用高压水射流钻扩一体化技术达到了预期目的。

4.3 效果分析

根据实际监测，进行水力冲孔期间，巷道迎头瓦斯浓度为0.1%～0.12%，回风瓦斯浓度为0.08%～0.1%，与巷道施工普通抽放钻孔期间相同。

通过对采用高压水射流的钻孔及其周边普通钻孔孔内瓦斯浓度分析，钻孔抽采前期孔内瓦斯浓度较大，且周边钻孔孔内瓦斯浓度上升较为明显。如J526-2采用高压水射流后抽采前10天孔内瓦斯浓度为7.4%～19%，后期孔内瓦斯浓度降为1%～5%，而该钻孔左边的J526-3钻孔在J526-2钻孔未冲孔前孔内瓦斯浓度为1%～2.5%，J526-2冲孔后该孔内瓦斯浓度上升为3%～8.8%。J522-5钻孔在其相邻的J522-4钻孔未冲孔前孔内瓦斯浓度为3%～5.2%，J522-4钻孔冲孔后J522-5钻孔孔内瓦斯上升为6.8%～22.8%。

4.4 效果评价

-700m 中央行人暗斜井揭穿5煤层执行区域防突措施后，共抽采瓦斯约15000m3，抽采率为65.7%；实测残余瓦斯含量最大值为2.6098 m3／t，钻屑瓦斯解吸指标Δh2最大值为70Pa，-700m 中央行人暗斜井揭穿5煤层区域防突措施有效。

5 注意事项

1）巷道迎头因掘进放炮影响，岩层破裂严重，采用水力冲孔时，孔口易垮孔导致孔内憋孔，如水压过大时易引起破碎岩石随水压突然喷出，存在安全隐患。故在岩石破碎带采用水力冲孔时，应先对岩层进行注浆加固，并且在钻孔孔口向里下置套管，防止孔口垮孔埋钻。

2）水力冲孔时，应缓慢转动钻杆，同时来回拉动钻杆，保证煤渣能正常排出。若出现垮孔，可适当加大转速，并保持来回拉动钻杆防止埋钻。

3）换钻杆时，应在钻孔返水正常下进行，防止憋孔、埋钻，若钻孔内垮孔堵死，压力表上升到20 MPa以上仍不能冲开时，必须停止进水，防止孔内高压水及瓦斯喷出伤人或造成瓦斯超限。

4）高压泵放置地点不应离钻机地点过远，保证开钻机人员与开泵人员能方便联系。

6 结语

以上数据表明，在采用强化卸压增透措施后，增大了煤层透气性系数，扩大了抽放半径，提高了瓦斯抽采浓度和抽采量，减少了预抽时间，实现区域快速消除煤与瓦斯突出危险性，保证了在无保护层开采煤层的采掘正常接替。

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