底板穿层水力冲孔防喷孔研究

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摘 要：煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，受各种地质因素和地应力、瓦斯等因素影响。为了有效的防治煤与瓦斯突出事故，我国突出矿井应用了预抽瓦斯、超前排放钻孔、高压注水、深孔控制卸压爆破、松动爆破、水力冲孔等防突措施，其中以穿层钻孔配合水力冲孔运用最为普遍，在煤体卸压、透气性增强、地应力降低等方面取得了良好的效果。但在水力冲孔过程中，煤与瓦斯喷出的现象频发。

关键词：穿层钻孔；水力冲孔；煤与瓦斯突出；防喷孔

分类号：TD713.34

瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的自然因素之一，每年因瓦斯造成的人员伤亡和财产损失都十分巨大。近年来随着开采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力都随之增大。瓦斯危害呈现严重态势，主要表现为煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和瓦斯窒息等，其中最为严重的是煤与瓦斯突出的危害性。

煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，受各种地质因素和地应力、瓦斯等因素影响。为了有效的防治煤与瓦斯突出事故，我国突出矿井应用了预抽瓦斯、超前排放钻孔、高压注水、深孔控制卸压爆破、松动爆破、水力冲孔等防突措施，其中以穿层钻孔配合水力冲孔运用最为普遍，在煤体卸压、透气性增强、地应力降低等方面取得了良好的效果。但在水力冲孔过程中，煤与瓦斯喷出的现象频发。

1.水力冲孔原理

水力冲孔的基本原理是：在钻孔内运用高压水射流对钻孔周围的煤体进行冲孔，利用水流将冲下来的煤体带出孔外。在钻孔内部形成可控的空间，使煤体卸压、增透，使煤层中的瓦斯得到充分释放，从而达到提高冲孔钻孔及邻近抽采钻孔的瓦斯流量及浓度的目的。

2.煤或瓦斯喷出利弊并存

钻割过程中，钻头、钻杆对煤体的机械扰动作用以及高压水流持续冲击煤体，打破原始地层中准平衡状态，使其由约束状态转变成表面状态、流变准平衡状态转变成变形速度较大的流变状态，大量煤或瓦斯由钻孔内喷出，而形成缝槽、孔洞，其周围煤体从三向应力状态转变为二向应力状态，释放径向应力，原本处于压缩状态的破裂区煤体在集中应力作用下向喷孔孔洞空间流变、膨胀、变形。膨胀变形使得煤体内部本来因受压而处于闭合状态的原生孔隙、裂隙，因应力状态的解除或应力的降低而重新开启，缝槽，最终形成一个大的裂隙网，这些孔隙裂隙网络构成了卸压瓦斯流动的通道。

2.1主要危害

（1）喷出瓦斯会导致打钻作业地点及巷道瓦斯浓度局部超限；

（2）喷出煤体较多时，可能会掩埋钻机等现场作业设备，堵塞施工巷道，影响现场作业环境；

（3）喷出会造成卡钻、夹钻、塌孔等现象，严重影响水力冲孔作业的进度；

（4）在煤层及环境条件均满足的情况下，喷出严重的话，会诱发煤与瓦斯突出灾害。

3.喷孔机理

钻进和割缝过程中，钻孔内部发生了煤与瓦斯突出，突出的煤体及瓦斯、高压水在水压和急速膨胀的瓦斯气体压力共同作用下高速冲出孔口，即通常所说的钻孔喷孔现象；

钻孔与钻杆间的空间相对狭小，大体积的煤体及高压水向外排出时，易发生堵塞钻孔现象，但随着钻杆的前进、转动以及孔内水压、瓦斯压力的增加，则会在瞬间破坏堵塞的煤、气、水混合体，之后高压力水带着煤和瓦斯冲出孔口。

发生孔内突出，向外排煤与瓦斯的过程中，又发生了堵孔现象，而后冲出。

4.影响因素

4.1 煤层厚度：煤层的主要特征是煤层的厚度，卸压区的范围随着煤层厚度的增加而大幅度增加，但增加幅度越来越小。在相同的钻孔孔径下，煤层厚度越大，卸压区和塑性区的范围越大，越易发生煤或瓦斯喷出，诱导钻孔喷出来增加煤体透气性，在具有突出危险的松软厚煤层中更容易获得较好效果。

4.2 钻孔孔径：一般认为，钻孔孔径越大，越易发生喷出。不同孔径下煤层孔洞的影响范围随着钻孔等效半径的增加而增加，卸压区半径和塑性区半径也相应增加，但是增加的幅度逐渐减缓，孔壁周围煤体的位移也与孔径成正比关系。但是根据现场经验，钻孔孔径与喷出发生可能性的关系不太显著，但与喷出强度成较强的正比例关系。

4.3.施工方法：钻孔施工方法是指钻孔钻进和钻屑排出的方法，主要有风排粉的干式钻孔方法和水排粉的湿式钻进方法，现场施工情况表明：干式钻进法具有成孔效率高、塌孔、煤或瓦斯喷出少的特点；而湿式钻进法中，在高压水射流的作用下，大量的煤体及瓦斯瞬间喷出，水、煤粉、瓦斯三相流容易造成堵孔，煤或瓦斯喷出易发。

5.煤与瓦斯喷出的防治

先抽后冲方式，穿层钻孔预抽一段时间之后，瓦斯压力降低，继续施工钻孔喷孔强度降低，然后在普通钻孔中间布置冲孔钻孔，每4-5m一组，每组布置3个冲孔孔，冲孔间距1.5m，对巷道的上帮、巷道施工区域、下帮进行冲孔，在现在进行的冲孔钻孔施工期间，钻进顺利、排渣顺畅。，有效降低喷出对现场施工的影响。

图 ： 隔断递进掩护式示意图

隔断递进掩护式，每组12孔，每组6m间距，所有钻孔中1#、2#、11#、12#为隔断孔，4#、6#、8#为掩护孔， 3#、7#、10#为冲孔卸压孔、5#、9#为卸压瓦斯抽采孔。首先，施工1#、2#、4#、6#、8#、11#和12#钻孔：其中1#、2#隔断上榜瓦斯向巷道运移富集，11#、12#隔断下帮瓦斯向巷道运移富集；4#、6#、8#先期抽采部分瓦斯，降低瓦斯含量和压力，掩护水力冲孔，防止水力冲孔过程中发生喷孔。其次，施工3#、7#、10#钻孔，随之进行水力冲孔，7#孔出煤量3-4吨，3#和10#孔出煤量2-3吨，通过水力冲孔对巷道掘进区域卸压，降低地应力，并增加煤层透气性。

由于水力冲孔会使得周围煤体产生显著运移，可能会导致前期施工的部分钻孔堵孔，因此施工钻孔，对水力冲孔增透区域进行再次瓦斯抽采，进一步降低瓦斯压力、含量。

为实现冲孔钻孔的卸压增透目的，不但要预防喷孔的发生，还要在喷孔发生的条件下，进行有效控制。施工时应使用防喷装置，主要包括三大部分：

（1）接收部分，将钻孔喷出物收集到防喷装置中；

（2）吸气部分，即连接抽放系统排放瓦斯通路；

（3）放水排渣部分，主要作用为收集并有控制地排放煤粉、岩粉、水等喷出物。

6.结束语

穿层钻孔配合水力冲孔利用坚固的岩石巷道为屏障，对突出煤层进行防突作业，具有良好的增透效果、抽放效果和安全保证性，在现今煤矿向深层发展，开采深度加大，瓦斯涌出量越来越大，煤与瓦斯突出的威胁增加，加上低抽巷施工的普遍性，穿层钻孔配合水力冲孔作为一种合适的、便捷的瓦斯治理技术在越来越普遍的利用。

作者简介：

彭克桥（1975-），男，河南理工大学煤矿开采专业，助理工程师，现在河南平禹煤电有限责任公司白庙矿通风科工作。