郭新兵

（潞安集团司马煤业公司，山西 长治 047105）

受地应力及煤质条件影响，矿井采掘煤层煤体内膨胀系数小，变形位移量小，煤层透气系数降低，瓦斯抽放钻孔施工时难度大且瓦斯抽放效率低，给高瓦斯或具有煤与瓦斯突出危险矿井瓦斯治理带来了困难。本文以司马矿3#煤层1208工作面为研究对象，提出水力冲孔造穴技术，即通过造穴设备在煤层中进行钻孔，并卸取煤层中一定量煤体，使得钻孔附近煤体形成孔洞现象，为煤体膨胀变形、位移提供了空间，在地应力作用下致使空穴周围煤体向其进行膨胀变形，加大了煤体膨胀系数及透气性，从而达到进一步提高煤层瓦斯抽放效率的目的。

1 概述

潞安集团司马煤业公司位于山西省长治市西南部，矿井设计生产能力为3.0Mt/a，井田内3#、15#煤层为全区可采煤层，8-2、9、14号煤层为大部可采煤层。目前回采煤层为3#煤层，该煤层位于山西组下部，属石炭二叠纪煤层，煤层坚固系数为0.4，煤层平均厚度为6.64m。

1208工作面位于井田二采区，工作面东部、北部为实煤区，南部为1207采空区，工作面走向长度为1495m，倾向长度为220m。由于1208工作面在回采期间共揭露5条正断层，受断层裂隙带及采空区影响，平均瓦斯涌出量为6.4m3/min，且通风后工作面瓦斯浓度在1.2%～1.8%之间，工作面经常出现瓦斯超限断电现象。1208综采工作面采用的是本煤层顺层瓦斯抽采方法，但是由于3#煤层透气性系数为0.3628～1.1411m2/MPa2·d，衰减系数0.3194～0.7845d-1，煤层瓦斯抽采难度大，平均瓦斯抽放率为27.8%，瓦斯抽采效率低，且抽采时间长，不仅影响着工作面正常回采，而且抽采后工作面仍经常出现瓦斯超限现象。

2 水力冲孔造穴技术

为了进一步提高3#煤层透气系数，降低钻孔瓦斯流量衰减系数，研究决定对3#煤层1208工作面瓦斯抽采采取水力冲孔造穴技术。

2.1 水力冲孔造穴技术原理

通过水力造穴一体化设备卸出一定量的煤体，在钻孔周围形成一个孔洞，为煤体膨胀变形、位移提供了空间；孔洞周围煤体发生膨胀变形，向孔洞方向发生位移，在钻孔影响范围内地应力降低，煤层充分卸压；煤体裂隙网络发育，煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯有效抽采，实现对含瓦斯突出煤体卸压增透区域瓦斯治理。

2.2 水力冲孔造穴设备选取

司马矿3#煤层1208工作面水力造穴采用的是GF-100型超高压水力割缝装置，该装置主要由金刚石复合片钻头、浅螺旋整体钻杆、高压旋转水尾、高压清水泵、高低压转换割缝器、高压软管等组成。

2.3 水力冲孔造穴施工工艺

（1）首先将水力造穴一体化设备安装在1208工作面回风顺槽内，并依次安装金刚石复合片钻头、孔口三防装置、高低压转换割缝器、浅螺旋整体钻杆以及高低压水管路。

（2）造穴钻孔布置在距回风顺槽顶板1.5m处（回风顺槽高度为3.5m），钻孔垂直顺槽布置，钻孔孔径为113mm，钻孔间距为4.0m。

（3）当钻杆高压钻进至回采煤层30m处时，利用高压旋转水刀在指定区域来回拖拉钻杆对煤体进行破碎、剥蚀，并把破碎的煤体冲出孔外，完成第一个人工造穴，造穴长度为1.0m，直径为0.8m，造穴水压为16～50MPa，造穴时间20～40min/穴，造穴出煤量1t左右。

（4）第一个人工造穴完成后继续钻进并施工第二个人工造穴，相邻两个造穴间距为8m，依次类推直至1208工作面煤层全部造穴完成，如图1所示。

（5）水力冲孔造穴完成后，在钻孔内安装瓦斯抽放管路，对每个钻孔进行瓦斯预抽，预抽时间不得低于15d。

（6）3#煤层在水力造穴时提高了煤层透气性和瓦斯释放能力，钻孔时可能出现瓦斯涌出现象，所以在水力造穴期间在孔口安装瓦斯监测装置，瓦斯超限时必须及时采取瓦斯治理措施。

图1 司马矿3#煤层1208工作面水力冲孔造穴施工剖面图

3 应用效果分析

司马矿采用水力冲孔造穴技术对3#煤层1208工作面进行瓦斯抽放期间，通过实验数据显示取得显著效果，主要表现在以下几方面：

（1）提高了瓦斯钻孔成孔率。由于司马矿3#煤层属石炭系软岩煤层，煤层坚固系数在0.4左右，施工普通钻孔时经常出现钻孔塌陷现象，成孔率低，而采用水力冲孔造穴技术后钻孔成孔率提高了30%。

（2）提高了煤层透气系数。采用水力冲孔造穴技术后松软低透煤层在应力作用下，向人工造穴处进行扩张，从而提高了煤层透气性系数，经检测1208工作面采用水力冲孔造穴技术后煤层透气系数提高至 4.72m2/MPa2·d。

（3）提高了单孔抽采效率，降低了单孔瓦斯抽采时间。1208工作面采用水力造穴钻孔预抽瓦斯时单孔抽采纯量是普通钻孔的2.5倍，水力造穴钻孔瓦斯抽放后吨煤降低瓦斯含量为普通钻孔的2.85倍；同时水力造穴钻孔单孔抽放时间较普通钻孔缩短了6d。

（4）降低了煤层瓦斯含量和瓦斯涌出量。1208工作面采用水力造穴钻孔进行瓦斯预抽后，工作面在回采期间未出现瓦斯超限断电现象，工作面及采空区内瓦斯浓度控制在0.4%以下，整个煤层瓦斯抽放效率提高至42.7%。

4 结束语

潞安集团司马煤业公司3#煤层1208工作面采取水力冲孔造穴技术后，有效提高了煤层瓦斯透气性系数，解决了软岩低透煤层瓦斯抽放钻孔施工过程中出现的塌孔难题，提高瓦斯抽放效率，缩短了单孔抽放时间，保证了工作面安全高效回采，取得了显著成效。