李嘴孜煤矿水力冲孔增透技术试验研究

摘要：详细介绍了水力冲孔技术的方法、增透原理以及该技术在淮南矿业集团李嘴孜煤矿的试验情况。结果表明水力冲孔技术能有效增大钻孔的直径，增加煤体的透气性。

关键词：突出煤层；水力冲孔；相当直径；增透原理

中图分类号：TD26 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）0014(C)-0206-02

引言：我国95%以上的煤矿都是井工开采，开采深度大，瓦斯压力大，瓦斯含量高，煤层透气性低，煤层瓦斯不易在采前抽放。

一般认为，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤本身性质综合作用的结果，而且地应力、瓦斯和煤本身的性质三者之间不是孤立的，而是相互作用的。用一些工程的方法，如开采保护层、预抽煤层瓦斯等可以有效释放煤层中的地应力和瓦斯潜能，改变煤体本身的性质，达到消除煤层突出危险性的目的。我国大部分高瓦斯矿区煤层具有低透气性、可压密性和易流变性特征，多数煤层透气性系数为0.001―10m2/（MPa2•d）。对于具备保护层开采条件的突出危险煤层，可以先采保护层，利用保护层开采的卸压增透作用，使被保护层透气性成百上千倍增加，然后利用钻孔或者巷道抽采被保护层的卸压瓦斯[1]。这种瓦斯抽采方法最理想，效果也最好。对于无保护层开采的突出危险煤层，掘进回采巷道时，通常需要在煤层底板岩体中布置岩石巷道，利用岩石巷道的掩护向突出煤层预掘位置施工穿层钻孔抽放瓦斯，抽放时间长，钻孔利用率低，钻孔工程量大；工作面回采消突需密集布置钻孔，抽放时间长。因此，如何提高瓦斯抽放效果对于突出危险煤层的瓦斯治理具有重要的意义。

一、水力冲孔方法及增透原理

水力冲孔方法为在钻头钻进时配以压力15MPa的高压水，高压水通过钻杆从钻头上的出水口喷射而出，冲击钻头周围的煤体。突出煤层通常具有自突的性质，当高压水冲击煤体时，将诱导小型可控制的煤与瓦斯突出。突出的煤、瓦斯和水顺着钻杆和钻孔间的空隙流入三通管，通过固具的倾斜分支进入排煤、瓦斯和水胶管，进入瓦斯、水和煤分离器，瓦斯被抽走，水和煤进入沉淀池。水力冲孔的实质是配合钻头的钻进，用高压水冲击钻头周边煤体，诱导小型的、可控制的煤和瓦斯突出，排出原始煤体，喷出大量的瓦斯，而后分离瓦斯、水和煤。

试验需要在煤层底板岩石巷道中进行，即留约10m的安全防护岩柱。试验前首先要求在钻场中向突出煤层的预定位置（如需掘进的回采巷道）施工118mm×1.2m钻孔，而后安装可移动固具（固具先放入，然后转动旋转手柄，使胶圈膨胀，固定可移动固具）。然后将94mm钻头穿过可移动固具，连接钻机，继续施工岩石钻孔。钻孔见煤后，停止钻进，连接可移动固具上的倾斜分支至沉淀池内的瓦斯、水和煤分离器。连接压力15MPa的高压水管路至钻机上，开启高压水阀门和瓦斯、水和煤分离器上的瓦斯抽放阀门，开启钻机，开始水力冲孔。

根据以往水力冲孔的实践，即使喷出煤量很多的孔道，在采掘时一般都看不到空洞的存在。这一现象表明喷出煤量的空间，为周围煤体的挤动所充填[2]。煤体沿层面运动的结果，原始煤体容重降低，密度减小，紧张状态松弛，煤体承受的地应力相对缓和。从瓦斯活动来讲，不但冲孔期间有大量的瓦斯喷出，而且由于煤体的挤动，影响范围逐渐扩展，孔隙率增加，透气性增大，导致较远方的瓦斯也源源不断地涌向孔道。如果再配合钻孔瓦斯抽放，将可大大提高抽放效率，有效降低煤层的瓦斯含量。由于应力紧张状态的解除，瓦斯含量的减小，水力冲孔对消除煤与瓦斯突出起到了有效作用。

水在冲孔时的作用主要体现在两方面[2]：（一）诱导煤与瓦斯突出的作用。即在冲孔时，配合钻头的钻进，加上部分水射流的作用，造成煤体的破碎，导致煤体内部原有的应力和瓦斯的不稳定平衡状态的破坏，从而激发了潜能的释放，而造成喷孔。（二）疏通孔道的作用。喷孔的发生必须有孔道才能实现，由于冲孔水的返回，混合煤粉增加了流变性，自孔道排出并保持孔道的畅通，这样才能使喷孔持续不断地发生，冲孔继续向前进展。以上两作用相互联系、相互依存。冲孔后，水的作用主要表现在湿润煤体，使煤体减少脆性，增加可塑性，进一步降低了煤体内部的应力集中，增加了防止煤和瓦斯突出的能力。因此，在水力冲孔时，应力变化和瓦斯活动较激烈，能量释放较大,所以影响范围也较广。

开采保护层是从突出危险煤层的外部卸除压力，消除应力紧张状态，使煤体膨胀变形，瓦斯解吸，透气性增加，最终改变煤层的突出性质。水力冲孔则是从突出煤层煤体内部排出一部分煤炭，靠煤层沿层面的位移，促使顶、底板向煤层移动，卸除应力紧张状态，增加了煤层的透气性，加之抽出了大量瓦斯，使突出的煤层也失去了突出能力。

二、水力冲孔试验钻孔布置

水力冲孔试验在李嘴孜煤矿东二采区―530m―1#轨道石门中进行，预定布置7个钻孔（图1）。流量孔用于测定冲孔前、后的自然瓦斯涌出量，根据冲孔前、后的瓦斯涌出量对比，可以判断冲孔的效果。流量孔要求从冲孔钻场向煤层的预定位置打穿透煤层的钻孔，钻孔要求进入煤层顶板0.5m。

图1――钻孔布置设计图

三、水力冲孔试验过程

试验在李嘴孜煤矿东二采区―530m―1#轨道石门进行，K2钻孔下至孔底，15：10分开始对B9b煤层冲孔，冲出煤量较小，3分钟后将近清水，15：20分将钻头倒至B9a煤层中，冲孔截止至15：40分，冲孔时间为20分钟，冲出煤量月100公斤，即0.1吨。16：24分左右，开始冲K3钻孔，钻头下至B9b煤层内，泵压约15Mpa，冲了60分钟后，冲出煤量约2吨，出煤量较大，冲出煤多为大块片状，但钻孔易堵孔，原因为冲出煤量多，且B9a、B8b煤层冲孔期间，煤体跨落速度比较快，造成孔内排渣不及时，在高压水作用下引起多次水与煤岩渣喷孔现象，对冲孔影响较大，但在喷孔过程中，瓦斯无明显大量涌出现象，T1、T2探头值无明显变化，基本稳定在0.08%―0.09%左右。17：26分左右，钻头下至B9a、B9b煤层内，冲孔水压约15Mpa，冲了90分钟后，煤量约4吨，出煤量较大，冲出煤多为鳞片及小颗粒状，冲出煤量多，且B9a、B8b煤层冲孔期间，煤体跨落速度比较快，中间夹矸也较为碎，易冲跨落，冲孔期间也出现多次少量堵孔，主要原因为钻孔冲出煤的速度虽快，但是煤体形状较小，不易卡孔，冲孔期间瓦斯无明显大量涌出现象，T1、T2探头值无明显变化，基本稳定在0.08%―0.09%左右。钻头下至B9a、B9b煤层内，冲孔水压约15Mpa，冲了60分钟后，煤量约3吨，出煤量较大，冲出煤多为鳞片及小颗粒状，冲出煤量多，且B9a、B8b煤层冲孔期间，煤体跨落速度比较快，中间夹矸也较为碎，易冲跨落，冲孔期间也出现多次少量堵孔，但均能由水压给冲钻孔，主要原因为钻孔冲出煤的速度虽快，但是煤体形状较小，不易卡孔，冲孔期间瓦斯无明显大量涌出现象，T1、T2探头值无明显变化。

四、水力冲孔试验结果分析

本次冲孔主要为煤层群，且预抽时间较长，煤体内大量瓦斯已被抽出，故冲孔期间瓦斯涌出不大，冲孔效果较好，煤体垮落速度较快，共冲出煤量14吨左右，冲孔结束后，对钻场进行合茬抽采，抽采时发现与冲孔前瓦斯变化不明显，冲孔对于瓦斯含量小的煤体不能达到较好的效果（该处已经过预抽），但明显发现预抽后的煤体煤质变硬，对于本次冲孔经验主要就是掌握了煤体预抽后的变化，下次在冲孔时，在煤层预抽前完成，可以进一步掌握抽采效果及扩孔后的瓦斯抽采变化。

结语：通过水力冲孔技术在李嘴孜煤矿东二采区―530m―1#轨道石门试验，我们认为水力冲孔技术能够有效地排出煤体，扩大钻孔的相当直径，达到增大煤层透气性的目的。本次试验未能测出冲孔后煤层的透气性变化情况，在以后的试验中应加强这方面的研究，为突出煤层瓦斯抽放的钻孔布置提供技术支持。

作者单位：淮南矿业集团李嘴孜煤矿

参考文献：

[1]程远平,俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用[J].中国矿业大学学报.2003.32(5):471―475.

[2]水力冲孔三结合试验小组.在无解放层条件下利用水力冲孔防止煤和瓦斯突出的研究及工业性试验报告[R].徐州:中国矿业大学出版社.1976.

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