顺层钻孔预抽煤巷瓦斯抽采技术及应用

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【摘 要】本文对高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带开采的定向卸压增透集成技术进行了研究与总结，该技术对提高煤层透气性、扩大瓦斯抽采半径、提高瓦斯抽采率、缩短抽采达标时间以及防止瓦斯灾害等具有较强的理论意义，并在某矿己15-32020工作面进行了工程实践，研究表明，运用顺层钻孔预抽煤巷瓦斯抽采技术后的瓦斯含量为4.5421～6.6120m3/t，较煤层原始瓦斯含量12.4m3/t大幅下降，且均小于临界值8m3/t，表明措施有效。

【关键词】顺层钻孔；预抽煤巷；瓦斯抽采；技术研究

0 引言

高地应力突出煤层高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带技术是在顶底板预抽巷道中向预抽条带区域施工一定数量的预抽钻孔，通过对钻孔实施高压脉冲水射流割缝，大幅增加煤体暴露面积，使煤层应力得到有效释放，同时利用脉冲射流的动力致裂效应，提高煤层孔隙裂隙率，使原生裂隙进一步扩张、贯通，并产生新的裂隙，提高煤层透气性，加速吸附瓦斯解吸，从而扩大瓦斯抽采半径，提高瓦斯抽采率，缩短抽采达标时间。

1 高地应力突出煤层高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带技术

高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带技术系统装备主要包括高压水泵、自动切换式切缝器、高压密封钻杆、高压密封输水器、脚踏开关、高压水管等设备，具体组成如图1所示。

1.水箱；2.乳化泵；3.高压水管；4.脚踏开关；5.高压密封输水器；6.钻机；7.高压钻杆；8.自动切换式切缝缝器；9.钻头

图1 高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带技术系统装置连接

示意图

本系统的设备中，液压泵主要是将水箱内水变为高压水流，高压密封输水器和密封钻杆主要将高压水射流传送至切缝器，并保证其不泄露，自动切换式切缝器是高压脉冲射流的发生装置，通过控制切缝器的位置，直接确定在煤层中的切缝区域。

通过对施工地点预抽煤巷条带的瓦斯地质及围岩条件进行分析，结合现场测试结果，确定穿层预抽孔终孔间距，并按照《防治煤与瓦斯突出规定》要求控制预抽条带一定范围，制定相应的技术方案。高低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带技术钻孔布置及割缝位置见图2所示。钻孔钻进时，泵压调至3～5MPa，自激振荡喷嘴处于闲置状态，射流主要通过钻杆沿钻头方向流出，其主要作用有两点：一是，冷却钻头刀具，降低刀具磨损，延长钻头使用寿命；二是，辅助排渣，降低抱钻的概率。当钻孔钻进至给定深度后，退回一定距离，使振荡喷嘴处于设计割缝位置，升高泵压至20～25MPa，此时自激振荡喷嘴处于工作状态，高压水射流经由自激振荡喷嘴转变为高压脉冲水射流，并对煤层进行径向切槽，切割时间为15～20min。当切完一个槽后，关闭高压泵，继续撤钻杆，至下一个设计割缝位置时，再进行切槽。

图2 高地应力突出煤层低位巷预抽煤巷条带技术钻孔割缝示意图

在切槽的过程中，要随时注意钻杆的旋转状况与钻孔的排水情况，当旋转与排水不正常时，要及时的撤出钻杆，以防出现卡钻的现象。同时还应注意压力表读数的变化，当压力过高或过低时，应及时调整调节阀，保证合理的切槽压力，为了便于进行瓦斯抽采封孔和保证煤壁稳定安全，在卸压范围内，即孔口10m不进行切缝。

振荡喷嘴的直径、切割压力、流量以及被切割材料的强度与切槽效果有着非常密切的关系。切割深度随着切割喷头直径的增加而增加，并且随着喷射压力的增加，喷头直径对切割效果的影响也越来越明显。因此，切槽过程中，应选择适当的压力，适当直径的振荡喷嘴、适当的流量和适当的切槽时间。现场切槽参数设计为供水压力20-40MPa，振荡喷嘴直径2.5-3.0mm；供水流量80～200L/min；切槽时间10～20min。

在脉冲射流作用下，煤层的卸压范围大幅增大，空隙裂隙率明显增加，显著提高了煤层透气性，强化吸附瓦斯解吸，从而扩大瓦斯抽采半径，提高瓦斯抽采率，缩短抽采达标时间。

2 现场应用

2.1 某矿己15-32020机巷掘进工作面试验点概况

己15-32020采面位于三水平己二采区西翼第一区段，为三水平首采工作面，周边煤层均未回采。

己15-32020机巷沿己15煤层顶板施工，掘进工艺为炮掘，施工单位为掘进五队，掘进煤层为己15煤层，机巷走向长度约1348m，工作面标高-655～-695m，对应地面标高270～349m，垂深925～1044m。掘进断面14m2，支护方式为锚网支护，间排距600mm。

己15煤层厚为1.2～1.4m，为突出煤层，下部己16-17煤层也为突出煤层，己15煤层与己16-17煤层层间距为3.3～17m，施工巷道高度为3.2m，试验段巷道己15煤层距己16-17煤层一般在9～10m，比较稳定。巷道施工时，直接在己15煤层执行区域防突措施，并加强下探己16-17煤层工作，以防误揭己16-17煤层造成事故。

2.2 有效影响半径确定

己15煤的坚固性系数f>0.8，根据现场测试结果，己15煤层高压脉冲水射流割缝φ75mm钻孔割缝影响半径达3.2 m；综合考虑己15-32020机巷煤层透气性、瓦斯含量、瓦斯压力等因素，高压脉冲水射流割缝有效影响半径定为3m。

2.3 钻孔布置

根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，结合己15-32020机巷的巷道设计情况以及己15煤层瓦斯含量、煤层赋存条件、煤的坚固性系数和破坏类型等实际情况，确定控制范围为：沿己15-32020机巷巷道掘进方向钻进60m，预留超前距20m，上下帮各15m。钻孔布置见图3～5，钻孔参数见表1。

图3 钻孔布置剖面图

图4 钻孔布置断面图

图5 钻孔布置俯视图

表1 钻孔参数

考虑到设计钻孔径向距离较近，为防止钻孔割缝过程中穿孔及重复割缝，同时减少割缝时间，钻孔割缝时交错相间，割缝参数见表2。

表2 割缝参数

2.4 技术实施过程

表3 己15煤层高压脉冲水射流割缝参数

根据设计方案，2011年1月2日～12月24日进行现场施工，共计22个作业循环，掘进长度共达880m。钻孔割缝工作分为两部分：首先采用风压辅助钻杆实施钻孔，待达到设计孔深再后退钻杆进行高压脉冲水射流割缝。钻孔割缝施工过程具体参数如表3所示。

由上表可知，己15-32020机巷钻孔割缝时间为15～20min，割缝压力为17～24MPa。

每循环措施空施工、抽放结束，即测定残余瓦斯含量W，结果表明：取样深度20m位置处瓦斯含量W值为3.6397～4.4626m3/t，取样深度40m位置处W值为3.3421～6.1320m3/t，取样深度60m位置处W值为4.5421～6.6120m3/t，均小于临界值8m3/t，措施有效。

巷道掘进期间执行了防突指标测试（复合指标法），q值为1.5～3.1L/min，S值为2.2～4.5kg/m，均小于临界值5L/min和6kg/m，无超标现象。

2.5 技术数据分析

1）钻孔数量对比分析

某矿己15-32020机巷掘进面原有防突措施共布置钻孔1排×15列=15个；采用高压脉冲水射流定向卸压增透技术后共布置钻孔9个，钻孔数量减少40%。

2）执行措施时间对比分析

某矿己15-32020机巷原执行措施施工15个措施孔，执行时间平均17个生产班。采用高压脉冲水射流割缝执行9个措施孔，执行时间平均10个生产班，比原措施执行时间缩短41.2%，见表4。

表4 效果数据对比分析表

3）瓦斯抽采效果考察分析

每循环措施空施工、抽放结束，即测定残余瓦斯含量W，结果表明：取样深度20m位置处瓦斯含量W值为3.6397～4.4626m3/t，取样深度40m位置处W值为3.3421～6.1320m3/t，取样深度60m位置处W值为4.5421～6.6120m3/t，较煤层原始瓦斯含量12.4m3/t大幅下降，且均小于临界值8m3/t，表明措施有效。

3 结论

1）在某矿己15―32020机巷掘进过程中采用高压脉冲水射流定向卸压技术后，执行措施孔数量减少了40%，执行措施时间缩短了41.2%。

2）该技术可有效增加煤层的透气性，消除煤层突出危险性，为作业人员提供安全保障，同时可减少钻孔施工工作量，有效提高了执行措施速度，节省了大量的防治费用，促进了区域预抽理论与防突技术的研究，符合国家的技术产业政策，具有巨大的安全社会效益。

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