吴晋军, 李定启

(1.山西晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部，山西 晋城 048000；2.河南理工大学，河南 焦作 454000)

采用水力冲孔技术对软煤层实行卸压增透，是一项较好的区域消突措施，在我国煤矿开采生产中广泛应用，具有良好的实用效果[1-10]。高晓亮等[11]通过流体力学分析，对下斜钻孔用水力冲孔器进行优化，有效解决了下斜钻孔施工过程中的排渣问题。冯文军等[12]通过与企业合作研制出“瓦斯抽采孔水力作业机”，施工过程减免更换钻杆，实现冲孔连续作业，利用视频技术实现远程操作。刘明举等[13]通过理论计算研究水力冲孔喷嘴与冲孔压力的关系，结果表明冲孔水压随喷嘴直径增大而降低。沈逸飞等[14]利用有限元数值模拟软件，得出孔洞受压变形规律及出煤量与孔洞变形之间的关系。许江等[15]应用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统及旋转高压水冲孔物理模拟试验装置进行水力冲孔物理模拟试验，得出水力冲孔过程中的冲出煤量，冲孔后的孔洞形态及抽采过程中气体压力、流量等参数的动态演化规律。胡底煤矿3号煤层赋存不均衡，煤层顶板下方、底板上方均有软煤层，工作面消突难度大。胡底煤矿采取底抽巷穿层钻孔软分层水力冲孔掏煤措施，以实现煤层巷道回采工作面区域消突，但效果不理想，为此，提出在胡底煤矿进行突出煤层软分层水力冲孔掏煤技术研究，以实现煤层快速区域消突的目的。

1 软分层水力冲孔掏煤防突机理

水力冲孔掏煤技术是软煤层瓦斯区域消突的主要措施之一。突出煤层水力冲孔掏软分层后，软煤层中形成孔洞，余留煤柱。应力作用下煤柱蠕变，周边径向缓慢流动至孔洞，煤柱压缩，煤层卸压膨胀。据煤层防突经验，保护层开采后，被保护层膨胀变形率达到千分之三以上，可实现充分卸压消突效果。针对突出危险性较大软分层优先采用水力冲孔掏煤技术，在煤层内形成均匀卸压区域，达到区域消突效果。本方法可对不具备保护层开采条件的突出煤层实现区域卸压消突，提高煤层回采工作面瓦斯抽放效率、缩短抽放时间，最大程度消除瓦斯突出灾害，提高开采工作效率。

2 软分层水力冲孔掏煤设备及工艺

2.1 试验地点

山西晋能控股集团胡底煤业有限公司(简称胡底煤矿，下同)位于山西省沁水县胡底乡境内，是沁水煤田樊庄勘探区的一部分，工业场地西距沁水县县城约50 km，东距胡底乡约3 km.主采3号煤层，平均5.67 m，顶底部存在稳定软分层，厚度均为0.3 m左右。试验地点选取1305底抽巷巷道穿层钻孔掩护13053煤巷掘进。3号煤层地应力、瓦斯压力大，瓦斯含量高，透气性系数为9.01～21.30 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.022 2～0.039 6 d-1.

2.2 掏煤装备

胡底煤矿3号煤层软分层水力冲孔掏煤试验主要设备有：钻机、钻杆、钻头、高压水泵、水箱、新型高压密封旋转装置、高压管、高压控制阀、高压密封三棱钻杆、高压喷头、防超限装置、煤气水分离装置等。

2.3 水力冲孔掏煤工艺

1) 采用高压密封水力冲孔钻杆(D73 mm)、高低压转换钻头(D133 mm)、高压水泵和静压供水管设备，施工水力冲孔试验孔。

2) 穿层钻孔施工完成，启动乳化液泵，压力逐渐递增，观察出煤量，待出煤量达到峰值保持泵压不动，后撤钻杆进行水力冲孔掏煤作业，记录冲孔压力、流量参数、时间。

3) 待掏煤钻头进入煤层底板，出现返清水现象，关停水泵、进水阀门，撤出钻杆结束掏煤。

4) 卸下防喷装置，实施穿层孔封孔，连接瓦斯抽采管道，安装抽采参数测定孔板，监测瓦斯抽采浓度。

5) 水力冲孔掏煤施工结束，清理沉淀池中煤泥，装入编织袋标定，使用铲车或带式输送机送出矿井。

3 水力冲孔掏煤试验方案

掏煤间距设置为5 m，考察水力冲孔掏煤效果。选取试验钻孔10个，其中1号、5号、12号、16号为掏煤孔，1号和5号孔布置于1305底抽巷东帮，12号和16号孔布置于1305底抽巷西帮，东、西帮掏煤孔呈对称布置。试验采用的水射流掏煤压力为16～28 MPa.

表1 钻孔施工参数

4 水力冲孔掏煤效果考察

4.1 掏煤量考察

实验过程中5-5号钻孔因钻机漏油而停止工作，未完成掏煤工作量。6-6号钻孔施工过程钻机偏行，未出软煤。0-5号钻孔因施工停水未完成掏煤。剩余7个钻孔掏煤工作正常。钻孔施工参数见图1.水射流压力22 MPa时掏煤效率最佳，当压力小于16～22 MPa时，掏煤量随着射流压力增加而增加；当压力大于22 MPa时，掏煤量随着射流压力增加而减少。

图1 掏煤试验设备

造成这一试验结果的主要原因是用于掏煤试验的高压水泵为定量泵，水射流的流量随着压力增加而减小，当流量小于临界值时，水射流掏煤流量开始减少。各钻孔掏煤结果如表2所示。

表2 钻孔出煤量分析

4.2 效果考察

现场试验数据表明，水力冲孔掏煤在胡底煤矿试验取得良好效果，掏煤后瓦斯抽采效率增加。该技术可有效解决胡底煤矿低透性突出煤层瓦斯难抽放等问题。水力定向掏软煤后，掏煤钻孔瓦斯抽采浓度由原来的20%～40%上升至40%～60%，掏煤钻孔平均瓦斯抽采量由0.03 m3/d上升至1.07 m3/d.掏煤钻孔浓度及周围对比孔浓度对比如图2所示。

图2 掏煤钻孔浓度及周围对比孔浓度对比

13052煤巷掘进没有实施水力冲孔掏煤，13053煤巷掘进实施水力冲孔掏煤，掘进效率对比如图3所示。

图3 煤巷掘进效率对比

实施水力冲孔掏煤技术前，1305底抽巷采用普通钻机施工穿层孔进行瓦斯抽采，瓦斯抽采效率低下、抽采周期长，消突效果不明显，影响煤巷回采掘进效率。水力冲孔掏煤后，煤层表现良好的区域卸压消突效果，煤层充分卸压消突，煤巷掘进效率提高了1倍以上。

5 结 语

1) 胡底煤矿3号煤层软分层作为本煤层保护层，利用穿层钻孔高压水射流技术对软分层进行掏煤，当压力达到24 MPa时水射流掏煤效率较高。

2) 采用水力冲孔掏煤软分层后，煤层实现充分卸压，达到煤层消突目的，瓦斯抽采浓度提高60%以上，煤巷掘进效率提高1倍以上。

3) 胡底煤矿3号煤层的软分层作为本煤层保护层，利用穿层钻孔高压水射流对软分层进行掏煤开采，能够以最少的工程成本和最短的时间取得保护层开采的效果。