松软特厚低透气性突出煤层水力冲孔卸压增透技术的研究与应用

【摘要】突出矿井区域瓦斯治理是煤矿企业生产面临的普遍难题，方山矿二1煤新井主采二1突出煤层，不具备开采保护层条件，必须利用煤层底板岩巷，采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯以及水力冲孔泄压增透技术。

【关键词】突出煤层;水力冲孔;增透技术;设备

1 矿井瓦斯地质概况

方山矿二1煤新井是中国平煤神马集团所属平禹煤电公司下属的一个国有煤矿，井田面积约4km2，核定生产能力30万吨/年，是煤与瓦斯突出矿井，矿井相对瓦斯涌出量37.05m3/t，绝对瓦斯涌出量14.01m3/min。工作面地面标高：+460～+570m，工作面标高：-22～-48m，埋深482～618m。煤层厚度为1.71～14.95m。根据二1-11041机风两巷揭露及探煤厚资料显示，推断二1-11061工作面平均煤厚6.0m。

2 区域瓦斯治理规划

2.1区域瓦斯治理工作面钻孔设计

2.1.1二1-11061机巷区域防突措施钻孔布置方案

在二1-11061机巷底抽巷每3.8m布置一组穿层钻孔，钻孔控制二1-11061机巷上、下帮轮廓线外各15m，孔径94mm，终孔点间距3.8m，组间距3.8m。以上每组钻孔按单、双号分两列布置、列间距1.9m。其中奇数钻孔为水力冲孔，偶数钻孔为穿层钻孔，钻孔穿过煤层进入顶板0.5m。

2.1.2二1-11061机巷底抽巷水力冲孔卸压增透加强钻孔布置方案

进一步提高煤层透气性及煤层瓦斯抽放效果，做到应抽尽抽，抽采达标的要求，自二1-11061机巷底抽巷联巷口向里沿巷道走向每隔5m布置1组增透卸压钻孔，每组钻孔开孔间距为0.6m，终孔间距为6.8m，钻孔终孔控制二1-11061机巷巷道上帮轮廓线外13m和下幫轮廓线外15m范围。增透卸压钻孔煤段冲出煤量标准为：每组1#钻孔、6#钻孔全煤段为每揭露1m煤段冲出煤量0.5吨;每组2#钻孔、3#钻孔、4#钻孔、5#钻孔根据煤段长度确定钻孔冲出煤量，煤段长度≤5m的钻孔每米煤段冲1吨，煤段长度>5m的钻孔每米煤段1.5吨。

2.2区域瓦斯治理钻孔施工情况

二1-11061机巷共设计212组2302个钻孔，实际共施工穿层钻孔和水力冲孔2692个钻孔，累计总进尺63175m，其中煤段长度14098m，冲出煤量5773.6t。

3 装备选型

3.1钻机选型

根据钻孔设计要求，结合该处地质条件，施工选用ZDY4000R型全液压坑道钻机。ZDY4000R型钻机的电机额定功率55KW、扭矩4000N·m，能够满足穿层钻孔、水力冲孔施工要求。

3.2水力冲孔泵选型

本次选用KZS150/24L煤矿钻孔用注水排渣装置（以下简称注水排渣装置），该装置是由平顶山市安泰华矿用安全设备制造有限公司自主研发产品。其主要特点是引入高压水射流理论，自主研发煤矿钻孔用注水排渣装置，最高水压可达24MPa，实现钻岩孔与冲煤孔注水、排渣一体化，达到对工作面煤体卸压增透，提高瓦斯排放效果。

3.3水力冲孔配套设备选型

采用的是专用高压送水器和冲孔自动切换专用钻头，低水压（0.5MPa以下）时，钻头的高压喷头关闭，钻头原喷嘴出水，清洗打钻产生的岩粉并冷却钻头，进行打钻作业;高水压（大于0.5MPa）时，原喷嘴关闭，高压喷头出水，冲击钻头侧面煤体，实施水力冲孔。

3.4防喷装置选用

3.4.1自制防喷装置：

在施工过程中为防止产生火花及造成巷道煤尘超限，施工时选用水排渣方式，故在施工过程中不考虑除尘问题，只考虑防喷即可，因此为确保瓦斯收集效果，采用自制全封闭防喷装置结合孔口瓦斯收集罩使用，防喷装置主要由防喷罩、排渣管（直径：150mm），排瓦斯管（直径：100mm），气渣分离箱等组成，排出的积渣进入气渣分离箱，瓦斯吸入防喷管，真正做到了渣入箱气入管;孔口收集罩可收集孔口溢出瓦斯，提高瓦斯收集率，并安装钻尾抽放联动装置，若从钻尾喷出瓦斯，可立即用钻尾抽放联动装置进行临时抽放。

4 项目研究的内容及方法

4.1项目研究的内容

传统水力冲孔泵，泵压不稳定，传输距离远，管路易损坏，安全系数低，施工效率低。使用新型注水排渣装置及“钻冲”一体化钻头，详细记录、分析对水力冲孔钻孔时间、效率的影响。

水力冲孔钻孔施工时容易因喷孔产生瓦斯高值，为了减少和避免打钻喷孔引起的高值，使用自制防喷装置后，对钻机下风侧3米监控范围内的甲烷便携仪及钻机下风侧105米范围内的甲烷传感器数据进行详细记录、分析，与使用前对比。

通过施工水力冲孔钻孔，测定煤层残余瓦斯压力和含量，并详细记录在煤巷掘进过程中，巷道回风侧瓦斯传感器数值，以及巷道掘进的速度。

4.2项目研究的方法步骤

利用专用水力冲孔设备、钻具及自制防喷装置，详细记录使用时甲烷便携和甲烷传感器数值，测定施工过区域瓦斯治理钻孔区域的瓦斯含量、压力及施工时异常情况，搜集煤巷掘进过程中，巷道回风侧传甲烷感器瓦斯数值以及煤巷掘进速度。并对数据进行分析、总结。

5 结论

5.1在二1-11061机巷底抽巷施工水力冲孔后，干管浓度由0.8%提高到16%，水力冲孔对控制范围进行卸压增透，使钻孔周围应力重新分布，增加煤层透气性，大大提高了瓦斯抽采量。

5.2对水力冲孔钻孔施工时间进行记录，使用该工艺减少了成孔后退钻、复送钻头进入煤层约1小时的工序，且减轻了职工劳动强度。

5.3使用自制防喷装置后，对钻机下风侧3米监控范围内的甲烷便携仪及钻机下风侧15米范围内的甲烷传感器数据进行详细记录、分析，随机甲烷便携仪读数平均为0.16%～0.29%，钻机回风侧15米范围内的甲烷传感器读数为0.09%～0.25%，做到了气进管、渣入箱，有效的遏制了瓦斯事故。

5.4经计算机巷评判区域二1-11061机巷瓦斯预抽率61.6%，在评判区域内布置13组区域措施效果检验钻孔，测定了残余瓦斯含量和残余瓦斯压力，该区域最大瓦斯含量5.4830m/t，最小瓦斯含量1.9048m3/t，最大瓦斯0.07MPa，最小瓦斯压力为0MPa，满足了《瓦斯抽采达标暂行规定》要求。且在执行区域防突措施效果检验期间，钻孔没有发生喷孔、顶钻及其他突出预兆。

5.5二1-11061机巷底抽巷净宽5.0m，净中高3.0m，目前共掘进390米，巷道掘进过程中，在巷道回风侧甲烷传感器最大值为0.26%，平均值为0.08%;最大单月进尺142米，创方山新井煤巷掘进记录。

作者简介：

高海涛（1987-），男，河南平顶山人，本科，平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，研究方向：采矿工程。