底抽巷水力扩孔预抽卸压瓦斯防突技术研究与应用

２０１５年第７期　中州煤炭　第２３５期　底抽巷水力扩孔预抽卸压瓦斯防突技术　研究与应用　

程子华　（神火集团梁北煤矿，河南禹州４６１６７０）　摘要：针对底抽巷瓦斯抽采中存在的问题，提出了在抽放钻孔施工完成后进行高压水力扩孔的方法，通过高　压水的切割和冲刷作用使钻孔内部空间增大，在地应力的自然作用下，煤体产生新的裂隙，提高煤层透气性，　从而提高底抽巷抽放钻孔后期的抽放效果，达到防治煤与瓦斯突出的目的。　关键词：水力扩孔；瓦斯抽放；防治煤与瓦斯突出　中图分类号：ＴＤ７１３．３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００３—０５０６（２０１５）０７—００３０—０３　

Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇａｓ　Ｏｕｔｂｕｒｓｔ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｇａｓ　Ｄｒａｉｎａｇｅ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｅｌｉｅｆ　ｂｙ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｒｅａｍｉｎｇ　ｉｎ　Ｆｌｏｏｒ　Ｄｒａｉｎａｇｅ　Ｒｏａｄｗａｙ　

Ｃｈｅｎｇ　Ｚｉｈｕａ　（Ｌｉａｎｇｂｅｉ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ，Ｓｈｅｎｈｕｏ　Ｇｒｏｕｐ，Ｙｕｚｈｏｕ　４６１６７０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ａｌｌｅｙ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｇａｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈａｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｂｒｏａｃｈｉｎｇ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｐａｃｅ　ｏｆ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｕｔ－　ｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｃｏｕｒｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ，ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　ａｔｒｅａａ，ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｒａｃｋｓ　ａｐｐｅａｒ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｉｎ　ｎａｔｕｒａｌ　ｃｏａｌ　ｂｏｄｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅ　ｌａｔｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｇａｓ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ　ｉｎ　ｆｌｏｏｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｔｈｅ　ｇｏａｌ　ｏｆ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｂｒｏａｃｈｉｎｇ；ｇａｓ　ｄｒａｉｎａｇｅ；ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　

煤与瓦斯突出是一种极为复杂的地质瓦斯动力　现象，能在很短时间内向巷道空间抛出大量的煤，并　伴随着猛烈的瓦斯动力现象，其短时间内涌出或喷　出的瓦斯能造成风流逆向　，甚至导致瓦斯窒息、　瓦斯爆炸及煤尘爆炸等次生灾害事故，严重威胁着　煤矿的安全生产。　在矿井的生产过程中，随着开采深度与强度的　提高，煤层瓦斯含量不断增加，开采过程中瓦斯涌出　量也不断增加；另一方面，埋藏深度增加，开采过程　中的地应力也越来越大，突出危险性不断增加，原有　的防突措施如排放钻孑Ｌ、浅孔松动爆破、边掘边抽等　局部防突措施，已不能有效消除煤层的突出危险性。　受到煤层透气性及赋存条件等客观因素的影响，本　煤层预抽以及底板巷条带预抽也无法从根本上消除　突出危险性　。梁北煤矿在煤与瓦斯突出危险区　域施工底板抽放巷，在施工穿层钻孔成孔后，采用高　收稿日期：２０１５—０３—２５　作者简介：程子华（１９８２一），男，河南禹州人，工程师，２００６年毕业　于河南理工大学，现从事煤矿“一通三防”管理工作。　・３Ｏ・　压水力扩孔增透措施来增加煤层透气性。通过高压　水进行扩孔，冲出一定体积的煤，在地应力的自然作　用下使煤体破碎产生新的裂隙，使后期抽放的瓦斯　量明显增加，提高了预抽效果，降低了突出煤层的突　出危险性，较好地解决了煤巷掘进与工作面回采过　程中的防突安全问题。　

１　水力扩孔预抽卸压瓦斯技术　１．１水力扩孔的必要性　国内外的研究及实践表明，底抽巷预抽条带瓦　斯是较有效的区域瓦斯治理措施，属于本质安全型　区域防突措施，利用底板岩层的阻滞作用，在保证施　工人员及机具安全的前提下施工密集抽放钻孔，预　先抽放突出煤层中的高压瓦斯，消除突出煤层的突　出危险性　，能有效解决生产过程中的采掘接替紧　张问题。但是，底抽巷预抽瓦斯也有一定的适用条　件和局限性。　（１）煤层的透气性不能太低，如果煤层透气性　太小，即使按照设计要求施工了密集抽放钻孔，在抽　２０１５年第７期　程子华：底抽巷水力扩孔预抽卸压瓦斯防突技术研究与应用　总第２３５期　放初期能抽出较高浓度的高压瓦斯　。但由于煤　层透气性较小，钻孔瓦斯浓度衰减很快，钻孔的影响　范围有限，单个钻孔的瓦斯抽放量较小，即使延长抽　放时间，也很难从根本上消除突出危险性，还会造成　矿井抽放能力的浪费。　（２）受地质条件的影响比较大，不同地质条件　下瓦斯赋存状况不一致，在局部地质条件异常的区　域内，煤层瓦斯含量较高，煤层厚度等赋存条件异　常，抽放钻孔很难均匀覆盖，会造成局部区域突出危　险性无法消除。　（３）钻孔抽排瓦斯的效果，受到钻孔直径大小　和钻孔周围煤体卸压范围的影响。如果为了采用钻　机施工大直径钻孔，还存在着垮孔严重、排渣困难、　成孔长度短以及钻机负荷大等技术问题，在技术和　经济上是不可取的　。　因此，在底抽巷预抽条带瓦斯的过程中，采用高　压水力扩孔增透措施是必要的。　１．２水力扩孔技术　底抽巷高压水力扩孔技术主要是指利用高压水　对小直径钻孔进行扩孔，以增大钻孑Ｌ在煤层段的直　径。首先在底抽巷钻场内向上施工一个小直径钻孔　穿透煤层，然后更换扩孔钻头，利用高压水的切割作　用对钻孑Ｌ内壁进行径向切割，切割后的钻屑在水力　和重力的作用下排出，钻孔直径扩大后增加了周围　煤体的暴露面，增大了钻孔卸压范围和影响半径。　多个钻孔扩孔后，煤体在地应力的作用下碎胀，在钻　孔范围内的煤层中产生新的裂隙，造成更大范围煤　体内的瓦斯解吸，在抽放负压的作用下涌向钻孔被　抽出，从而大大提高了钻孔的抽采效果。。　，达到消　除突出危险性的作用。高压水力扩孔的设备主要由　扩孔钻头及高压水泵组成（图１）。　图１　高压水力扩孔机具示意　高压水泵采用矿井常用的ＸＲＢ２Ｂ型乳化液泵，　额定工作压力为２０　ＭＰａ，扩孔钻头为根据设计要求　单独加工而成，扩孔钻头主要由８个（Ｚｊ１２　ｍｍ的射　流孔组成，其中６个孔垂直于钻头轴向均匀布置，２　个孔平行于钻头轴向布置且开口位置朝向钻孔外　侧，扩孔作业时，６个径向孔用于扩孑Ｌ切割，２个轴向　孔用于加速钻屑排出。　２　现场应用　２．１试验区域概况　梁北煤矿１１１４１回采工作面地面标高＋１２５　ｍ，　井下标高…３９９　３７０　ｍ，地质构造简单，属单斜构　造。煤层赋存稳定，走向１０６。，倾向１９６。，平均煤厚　４．４５　ｍ，煤层倾角１１。～１３。，平均１２。。其直接顶为　砂质泥岩及细砂岩，直接底板为砂质泥岩和细砂岩。　１１１４１工作面回采的二　煤层为煤与瓦斯突出煤层，　实测瓦斯压力为１．２—１．５　ＭＰａ，原始煤层瓦斯含量　为１４．３　ｍ　／ｔ，煤层坚固性系数，为０．１８—０．２７，煤　的破坏类型Ⅲ～Ⅳ类，该工作面有突出危险性，煤层　透气性为０．６—０．８　ｍ　／（ＭＰａ　・ｄ），属较难抽放煤　层。１１１４１底抽巷居中布置，距二　煤层法向距离　１８—２０　ｍ，顶底板均为砂岩，巷道为梯形断面。　２．２　穿层钻孔参数与施工　根据相邻的１１１４１工作面水力扩孑Ｌ影响半径的　考察结果，水力扩孔钻孔直径为９４　ｍｍ，单孔有效卸　压半径按６　ｍ计算，钻孔沿工作面的走向与倾向布　置钻孔，走向与倾向钻孔间距均为１２　ｍ，钻孔深度　不等，钻孔布置剖面如图２所示，平面如图３所示。　

图２底抽巷水力扩孔钻孔布置剖面　，／　、　，　、　，　

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图３底抽巷水力扩孔钻孔布置平面　・３１・　２０１５年第７期　中州煤炭　总第２３５期　在水力扩孔施工过程中，除钻孔应按照设计参　数严格施工外，还有２个重要参数：①高压水的压　力。高压水的来源为乳化液泵，水压不能太低，也不　能太高。水压太低则水射流提供的动能有限，不能　最大限度地对钻孔内煤体进行切割冲刷；水压太高　则容易引起喷孔、瓦斯超限等事故，乳化液泵长时间　高压运行也容易发生故障，乳化液泵的额定工作压　力为２０　ＭＰａ，实际扩孔最大压力不能超过１５　ＭＰａ，　且开始扩孑Ｌ时应选择较低压力。②单孔冲出煤量。　在高压扩孑Ｌ时，冲出煤量是考核钻孔扩孑Ｌ是否成功　的重要参数，只有冲出了足够量的煤时，后续才能在　地应力和瓦斯应力作用下产生裂隙并释放瓦斯。冲　出煤量不能太大，如果冲出煤量太大，容易塌孔，封　孔后抽放难度增加，还容易产生孔洞，引起煤层顶板　严重破坏，孑Ｌ洞内易集聚高浓度瓦斯，在回采时易发　生顶板和瓦斯超限事故。因此冲出的煤量既要保证　产生的裂隙满足瓦斯抽放的要求，也要保证后续掘　进和回采安全高效。国内煤矿在水力冲孔和水力扩　孔时对冲出煤量并没有特定的参考值和硬性要求，　提出可以参照保护层开采煤层变形率的概念，保护　层开采要求被保护煤层变形率应超过３％ｏ，由于底　抽巷距离上部煤层的距离比较近，同时考虑到同体　积湿煤较干煤所受重力大，故而这里暂取１％，因此　冲出煤量可以通过Ｍ＝ｐＶＣ计算。其中，　为单孔　冲出煤量；ｐ为煤的容重，取１３．８　ｋＮ／ｍ　；Ｖ为单孔　控制的煤的体积，取５９４　ｍ　；Ｃ为变形率，取１％。　经过计算，单孔需要冲出煤的质量为８．２　ｔ，实　际施工过程中以６～８　ｔ为宜，施工过程如下。　（１）按照设计钻孔参数施工，钻孔施工进人煤　层１　ｍ后停止钻进，退出钻杆，更换扩孔钻头。　（２）更换钻杆尾部的水管连接装置，将高压胶　管与乳化液泵相连，启动乳化液泵，乳化液泵压力调　整为８—１３　ＭＰａ，钻机以适当的速度往复移动，对钻　孔内壁进行扩刷。　（３）观察钻孔的排渣情况，连续或间歇地进行　扩孔作业，当冲出煤量为６—８　ｔ后可停止刷扩，继续　用水流冲刷钻孔至完全正常，扩孔作业完成。　２．３水力扩孔后瓦斯抽放的效果考察　１１１４１底抽巷实施水力扩孔过程中，在不同区　段表现出的结果也不一样，在一般区段扩孔时冲出　的煤量较小，也没有明显的动力现象，但是在向斜轴　部发生了剧烈的喷孔现象，瓦斯涌出量增加，冲出的　煤量也较多，从统计的数据中选取有代表性的数据　・３２・　进行分析（表１），８．２号孔和８－３号孔位于向斜轴　部，卸压半径及冲出煤量均比较大。　表１水力扩孔结果考察　通过冲出的煤量计算钻孔煤孔段孔洞体积，并　把孔洞体积折算成圆柱形以后，发现扩孔后直径为　１　６００～２　０００　ｍｍ，为原始钻孔直径的１７～２１倍。　在穿层钻孔抽放控制范围内吨煤瓦斯抽放量为　２．７６　ｍ　／ｔ，瓦斯抽放率为５２％。此外，由于钻孔预　先进行了水力扩孔，煤体经地应力破坏后碎胀，煤层　透气性增加，单组钻孔瓦斯抽放浓度长期稳定在　３０％以上，较本煤层预抽钻孔浓度提高近２倍。而