马晋波

(山西阳城阳泰集团 伏岩煤业有限公司，山西 阳城 048105)

1 工程概况

山西阳泰集团伏岩煤矿3208工作面位于二采区东部，主采3号煤层，煤层厚度3.20～6.64 m，平均4.96 m，为井田稳定可采煤层，平均含0～2层夹矸，煤层顶板为泥岩与砂岩，底板为泥岩，采用分层开采的方式，先进行上分层回采，然后进行下分层回采，上下分层工作面均采用综采采煤工艺。

3208上分层运输巷沿煤层掘进，巷道断面为矩形，高度为2.7 m，宽度为4.2 m，依据矿井3号煤层2017年的瓦斯鉴定结果可知，该煤层巷道进行掘进作业时，掘进工作面绝对瓦斯涌出量为2.63 m3/min，针对3号煤层透气性差、瓦斯抽放效果差的现状，决定在3208运输巷开展水力冲孔造穴试验，以提高煤层透气性，提高低透煤层瓦斯抽采效果，缩短抽采达标时间，提高掘进速度，消除煤层突出危险性，保障采掘安全。

2 水力冲孔卸压增透原理

现通过宏观裂隙层面对水力冲孔的卸压增透机理进行具体分析，在煤体上打设钻孔后，钻孔的应力分布情况如图1所示，通过分析图1可知，在钻孔打设完毕后，钻孔周围的应力会出现明显的重新分布现象[1-2]，钻孔周围出现了应力集中，其中径向应力σr会逐渐减小至最小，σθ会随着距离钻孔距离的减小而逐渐增大到最大值。

水力冲孔卸压增透技术其实质即为采用高压水的冲击作用对煤层中原有打设的钻孔进行有效的扩孔作业，进而增大钻孔在煤层段的孔径，随着钻孔孔径的逐渐增大，钻孔周围的应力会进一步的集中，塑性区的范围会更大[3-4]，进而为瓦斯的渗流提供更多的通道，具体钻孔周围的应力与渗透率之间的关系如图2所示。

图1 弹性状态下钻孔周围应力分布

图2 钻孔周围应力与渗透率变化曲线示意

通过分析图2可知，当钻孔周围的应力从原岩应力区变化到弹性区时，钻孔受到的主应力差值会逐渐增大，原生裂隙也会逐渐闭合，进而使得煤体的渗透率出现逐渐减小的趋势，在该阶段钻孔的应力与其渗透率之间呈现出负相关的关系；随着钻孔周围煤体应力水平的进一步增大，当钻孔周围受到的应力达到最大值时，此时煤体已经进入塑性状态，煤体内的裂隙会逐渐产生和发育，并且在应力作用下会进一步扩大与贯通，进而有效形成应力场，使得钻孔周围的渗透率出现快速增大的趋势，且钻孔渗透率的最大值出现在孔壁处，该处围岩的渗透率远大于原岩应力水平下的渗透率。

3 水力卸压增透技术与效果分析

3.1 水力卸压增透技术

3.1.1 水力冲孔设计

根据3208运输巷的具体地质条件，设计水力冲孔共9个，分别为1～9号孔，水力冲孔造穴位置共计76个，具体各个水力冲孔的参数如表1所示，设计水力冲孔造穴钻孔布置如图3所示。

表1 各水力冲孔设计参数及位置

图3 3208运输巷水力冲孔布置位置示意(m)

3208运输巷水力冲孔造穴的间距为10 m，在进行具体施工作业时，由于受到现场施工条件的影响，具体施工作业时各个钻孔的水力造穴的具体范围如下：1号钻孔的水力冲孔造穴的具体范围为15～65 m，2号、4号和6号钻孔的水力冲孔造穴深度为范围为15～100 m， 3号钻孔的水力冲孔造穴深度为范围为20～100 m， 5号和7号钻孔的水力冲孔造穴深度为范围为10～100 m，8号钻孔的水力冲孔造穴的具体范围为15～75 m，9号钻孔的水力冲孔造穴的具体范围为10～40 m。

3.1.2 水力冲孔系统

水力冲孔系统主要由水力冲孔钻机、钻杆、钻头、水力冲孔接头、气渣分离器、高压注水泵、水箱、高压管路等组成。水力冲孔钻头及气渣分离器( 防喷装置随钻机附带)。水力冲孔系统如图4所示。

图4 水力冲孔系统示意

具体水力冲孔系统中使用设备的各项参数如下：①钻机选用ZDY2300LX煤矿用履带式液压钻机，额定扭矩为800～2 300 N·m，额定转速为60～170 r/min；②高压密封钻杆采用螺旋高压密封钻杆，其中钻杆直径为80 mm，耐压强度为20 MPa；③水力冲孔接头采用外径为80 mm、长度为400 mm、耐压强度为20 MPa的接头，使用该水力冲孔接头实现低压水钻孔，高压水冲孔造穴作业；④钻头采用开孔金刚石复合片钻头，直径为94 mm；⑤高压旋转接头的额定转速为100 r/min，额定压力为20 MPa，额定流量为200 L/min。

3.1.3 水力冲孔作业流程

1) 在3208运输巷内距巷道底板高度约1.3 m处开孔，按设计位置进行钻孔的施工作业，打钻过程中的排渣作业通过螺旋高压密封钻杆的螺旋叶片实现；

2) 连接好各个设备及其相关的配件与管路后，启动高压注水泵，调整泵的压力到18 MPa；

3) 确认管路连接后，开启钻机，转动钻杆(不钻进)直到钻孔口有水流出；

4) 进行水力冲孔切割煤体(冲孔过程中，保持钻杆正常转动，转速略小于正常钻进速度，以便充分切割煤体，退钻时要转动钻杆)；

5) 为增大冲孔效果，反复多次在设计造穴长度范围内钻、退本根钻杆，进行重复冲孔；

6) 重复上述步骤，直到按照设计位置冲孔完毕，进行停泵、退钻作业，退钻完成后即完成单个钻孔的水力冲孔作业，即可进行转孔。

3.2 效果分析

为了考察3208运输巷水力冲孔卸压增透技术效果，通过对3208运输巷未进行水力冲孔钻孔预抽情况及3208运输巷试验段采用水力冲孔卸压增透技术后瓦斯预抽的效果进行统计分析，选取未采用水力冲孔卸压增透技术的考察钻孔4个，分别命名为考1～考4，对于采用水力冲孔卸压增透技术的钻孔同样选择4个，分别命名为增1～增4，水力冲孔卸压增透技术前后的瓦斯抽采浓度曲线如图5所示。

图5 水力冲孔卸压增透技术前后瓦斯抽采浓度曲线

由图5能够看出，在钻孔未采用水力冲孔卸压增透技术时，4个考察孔的瓦斯抽采浓度基本集中在40%左右，当钻孔采用水力冲孔卸压增透技术后，试验段考察的4个钻孔的瓦斯抽采浓度基本均在80%左右，水力冲孔卸压增透技术比未采用水力冲孔卸压增透技术的瓦斯抽采浓度提升了一倍，效果较为明显。

为更全面分析水力冲孔卸压增透技术对钻孔瓦斯抽采效率的提升，同时对4个考察钻孔和4个水力冲孔增透后钻孔的瓦斯抽采纯量进行了有效监测，并进行对比分析，如图6所示。

由图6能够看出，未采用水力冲孔增透的4个考察钻孔其瓦斯抽采纯量的平均值仅为0.18 m3/min，而采用水力冲孔增透技术的4个试验钻孔瓦斯抽采纯量的均值达到了0.33 m3/min，由此可知水力冲孔卸压增透技术使得巷道瓦斯抽采的纯流量提升了近一倍，水力冲孔增透效果显著。

4 结 语

通过对水力冲孔卸压增透技术机理的分析，结合3208运输巷的具体地质条件，对水力冲孔卸压增透的试验方案进行了具体设计，并对瓦斯抽采效果进行了考察，根据监测结果知，采用水力冲孔卸压增透技术后的瓦斯抽采钻孔与常规抽采钻孔相比，其瓦斯抽采浓度与抽采纯量均能够提升1倍，水力卸压增透效果显著。

图6 瓦斯抽采纯量对比曲线