水力增透技术在低透气性煤层中的试验研究

【摘要】为提高高瓦斯压力、低透气性煤层瓦斯抽采效率，基于高压水射流破煤原理，试验研究了水力冲孔卸压增透的防突机理。通过理论分析和现场施工试验相结合的方法，阐述了水力冲孔的工艺流程、水力冲孔消突技术的施工设计、提出了水力冲孔的施工要领，研究表明，采用底板抽放巷施工的钻孔与水力冲孔的综合区域消突措施，可有效的消除突出应力，大幅度的增加煤层的透气性，提高了瓦斯抽采效率。

【关键词】底板岩巷 水力冲孔 区域消突 透气性

1 矿井基本情况1.1 交通位置

鹤煤集团十矿位于鹤壁市老区最南部，距市区中心约9公里。矿井地理坐标为东经114°11′29″～114°13′04″；北纬35°47′30″～35°50′34″。矿井建井设计为立井式单水平上下山开拓方式，开采深度由+50m至-800m标高。矿区走向长约2.5～5.5Km，倾向宽约0～2.4Km，煤层平均厚度7m，面积为8.8648km2，生产规模60万吨/年。

1.2 矿井瓦斯基本情况

鹤煤十矿属于煤与瓦斯突出矿井，相对瓦斯涌出量20.19m3/t，绝对瓦斯涌出量25.11m3/m i n。瓦斯含量分别为13.1m3/t--15.7m3/t，平均含量14.9m3/t，瓦斯压力为1.41MPa。透气性系数为0.03--0.045m2/（MPa2.d），瓦斯解析指标K1值为0.36ml（min0.5g），坚固性系数平均值为f=0.283，瓦斯放散初速度平均值为p=19.531mmHg，煤样的吸附常数a=32.21m3/t，b=1.31MPa-1，煤的孔隙率平均值为4.243%。建井以来共发生过8次突出，最大突出煤量320t。

2.1 底抽巷水力冲孔钻孔设计

1310底板抽放巷水力冲孔钻孔是预抽煤巷条带煤层瓦斯的区域防突措施，即：沿下顺槽、切眼的设计位置向里内错20m、距煤层底板垂距15m左右，在底板抽放巷每向前延伸20m布置一个钻场，从底抽巷钻场打穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。每个钻场布置3排、6列共18个孔径为130mm的水力冲孔钻孔，开孔行间距为400mm，列间距为800mm，钻孔终孔位置控制到煤巷上、下帮轮廓线外各15m，终孔位置均进入煤层顶板0.5m。

水力冲孔试验地点在1310下底板巷5号钻场，6号钻场，现在5#钻场施工过瓦斯抽采钻孔后，通负压带抽后一段时间钻孔浓度、流量衰减快，抽采效果不理想。经研究决定采用水力冲孔再在该钻场内施工18个Φ110mm试验钻孔，其设计见图1、所示，由于该巷道围岩岩性较软（泥页岩），再加上裂隙比较发育，在进行水力冲孔之前经行围岩注浆加固作业。通过注浆作业有效的解决了漏气，串气等问题，施工的水力钻孔封孔带抽后瓦斯抽放量明显提高。

2.1.2？水力冲孔工艺流程和操作系统

水力冲孔系统主要由ZY-2300钻机、特制水力冲孔钻头、Φ25mm无缝高压钢管，以及乳化液泵、水箱、压力表、防喷装置、喷头，高压胶管等组成。

水力冲孔工艺流程和安全措施按照以下要领操作：

（1）将钻机按照设计的方位倾角支好后，钻进至见煤段穿过岩层0.5m后退出钻杆，将钻头换成冲孔钻头推进至见煤段开始冲孔。

（2）水力冲孔时至少有4人施工，1人负责开泵，1人负责接钻杆，1人负责清煤，1人负责接水辨。

（3）穿层钻孔水力冲孔时在钻场施工时先冲钻场顶上钻孔，再两帮，最后中间眼，以便下部钻孔泄压。

（4）在钻杆钻进至见煤段时，将静压水管换成高压水管，用高压水开始冲孔。

（5）打开预先设置的高压水控制阀门向钻孔供水，水压设定在10MPa---15MPa。

（6）从见煤段开始每推进1.5m为一个冲孔区段和时间段，时间段（约10--15min）直至钻孔排除水变清澈时，再接下一根钻杆。

（7）冲孔期间保证钻机给压均匀，匀速推进以便排粉顺畅，并做好计量考核在水力冲孔验收单上详细记录钻孔深度，见煤段长和岩段长（喷孔、夹钻、顶钻以及排粉变化情况），钻孔冲出的煤粉按矿车计量（一车为一吨），每孔少于1.5车的为不合格孔。

（8）接钻杆人员，接卸钻杆时要先关闭高压水阀门，待卸压后方可接卸钻杆

（9）水力冲孔过程中，施工人员要经常观察返水情况。若发现返水不畅或异常时，应立即停止钻进，开钻机人员要反复推送钻杆，待钻孔返水正常时再缓慢钻进进行冲孔作业。

水力冲孔时使用特制高压水冲孔钻头，在具有自喷能力且低透气的煤层中施工抽采钻孔；高压水经钻杆到达特制的高压钻头，在钻头旋转喷射，通过钻头的切割力和高压水力冲刷煤体，释放突出潜能以消除突出危险性的措施。

5 结语

试验结果和研究数据分析可见，我们提出的水力冲孔机理与试验效果能有效验证，通过水力冲孔冲出的一定煤量和部分瓦斯使煤体的应力降低，从而是周围煤体也得到不同程度的卸压，从而使煤体的透气性得到提高，增加了瓦斯的排放量和抽采量，由以上设计施工和试验研究表明，通过穿层钻孔和水力冲孔相结合，在相同数目钻孔的条件下，能提高钻孔的使用效果，缩短煤体原始瓦斯抽采时间，适合本矿井煤层条件，并有推广意义的区域消突措施。

参考文献

[1] 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999

[2] 刘明举，孔留安，郝富昌，等.水力冲孔及时在严重突出煤层中的应用[J].煤炭学报，2005，30（4）：451-454

作者简介

石京辉，男，河南鹤壁人，毕业于河南理工大学，现在河南煤化集团鹤煤十矿，从事安全管理工作。研究方向：煤与瓦斯突出矿井瓦斯防治。