水力冲孔工艺参数对瓦斯抽采效果的影响研究

时间：2024-07-28

邢栋

（山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西晋城 046600）

随着我国矿井不断向深部延伸，开采煤层逐渐面临高瓦斯压力与高地应力的威胁[1]。为增加煤层透气性，有效提高钻孔瓦斯抽采效率，开发了诸多瓦斯治理技术，其中以水力冲孔技术对煤层的卸压增透效果最为显著[2-3]。由于目前对水力冲孔技术的研究局限于卸压范围、增透效果与冲孔钻孔布孔方案的优化研究，对冲孔工艺参数的优化尚缺乏深入研究。本文通过赵庄矿水力冲孔现场试验，开展对水力冲孔工艺参数的优化研究。

1 水力冲孔卸压增透机理与装备

水力冲孔系统的组成如图1所示，系统装备主要由高压水射流喷嘴、钻冲一体化钻头、高压密封钻杆、耐高压水辫、防瓦斯超限装置、钻机、乳化液泵站等组成。其中乳化液泵对静压水瞬间加压后通过高压胶管定向输送进入高压钻杆内，然后通过与高压钻杆连接的高压喷头上分布的高压喷嘴喷射出去。高压水射流喷嘴是高压水射流发生装置的执行元件，是形成高压水射流的关键部件，用以对煤体进行切割、破碎，对钻孔周围的煤体进行高压冲击破碎，实现煤体的卸压增透，提高瓦斯预抽效率。

图1 水力冲孔系统图

2 水力冲孔现场试验

2.1 水力冲孔试验地点概况

试验矿井晋煤集团赵庄矿的煤体对瓦斯的吸附能力强，瓦斯含量高，透气性低。3#煤层平均厚度4.5m，瓦斯含量6.99～12.73m3/t，3#煤层透气性系数0.21～0.46m3/（MPa2·d），原始瓦斯压力0.06～0.71MPa，埋深710～770m。地压为14.5～20.7MPa，1309-2#底抽巷附近地温为12～18℃，针对1309工作面煤巷掘进过程中频繁出现瓦斯超限的问题，决定在1309-2#底抽巷东段第三抽采单元进行水力冲孔试验。

2.2 冲孔方案设计

试验地点巷道净宽5m，净高3m，上距煤层7m左右。采用ZDY系列钻机施工，根据钻机施工角度的界限值合理确定了布孔角度。共布置33组钻孔，每组设计3个钻孔，每6m布置一组，仅对每组中1#、2#钻孔进行冲孔，3#钻孔作为考察水力冲孔钻孔的瓦斯抽采效果的考察钻孔。冲孔钻孔布孔方式如图2所示，布孔参数见表1。

为深入研究水力冲孔工艺参数对冲孔钻孔瓦斯抽采效果的影响，为冲孔工艺的优化提供科学依据，通过现场冲孔试验收集相关数据反映出不同冲孔压力对冲出煤量、堵孔对瓦斯抽采效果、冲孔顺序对堵孔的影响。

图2 钻孔布置主视图

表1 水力冲孔布孔参数表

3 水力冲孔试验结果分析

3.1 瓦斯抽采效果分析

图3 百米瓦斯流量图

对图3分析可知：将水力冲孔效果最差的1#和2#孔去除后，冲孔钻孔较普通钻孔的百米瓦斯流量提高了8.1～9.4倍，整体平均提高了8.1倍，试验结果证明了水力冲孔技术可以有效提高煤层瓦斯预抽效率，缩短瓦斯预抽期。

3.2 冲孔压力对出煤量的影响

图4 冲孔压力与出煤量关系图

现场冲孔压力的选择主要依靠对钻孔返水的黑色程度进行确定，受人为因素的影响较大。由于不同冲孔压力的冲孔钻孔数量较多，个别冲孔压力的冲孔钻孔仅为一个，为对现有冲孔工艺提供一个合理的冲孔压力区间，对不同冲孔压力区间的钻孔出煤量取均值，冲孔压力仅为一个钻孔的出煤量取原值进行对比。如图4所示，在冲孔压力区间值为17～18MPa时，冲孔钻孔的平均出煤量最多，明显高于其他冲孔压力区间的冲出煤量。

3.3 堵孔对瓦斯抽采效果的影响

对图3（b）观察后可以发现：未堵孔的7#钻孔的百米瓦斯流量远大于发生过堵孔钻孔的百米瓦斯流量。

通过对该现象分析得到：在冲孔的过程中一旦发生堵孔现象，在短时间内钻孔内便积聚了大量的高压水，高压水在压力的驱动作用下进入煤体裂隙，促使裂隙向煤体深部延伸。当孔洞内的高压水冲破堵孔煤渣束缚涌出孔外时，水分在煤体内挤压渗透的动力源消失，受水压作用而扩张延伸的煤体裂隙在地应力的作用下重新闭合，残余在煤体裂隙内的水分挤占了煤层瓦斯的渗流通道，渗透率降低，瓦斯抽采难度加大。

3.4 冲孔顺序的影响

水力冲孔期间分别进行了从煤层底板至煤层顶板的冲孔顺序与从煤层顶板至煤层底板的冲孔顺序比较。从上至下的冲孔顺序较于从下至上的冲孔顺序出现堵孔憋孔的频率更多，甚至出现过掉钻事故。导致该现象的原因为：由于钻孔在施打时会使周围煤体产生较多的裂隙，煤体强度降低，受应力作用的影响煤段钻孔容易变形，当从上往下进行水力冲孔时，由于孔壁变形严重，出煤空间狭小，极易导致排水不畅产生堵孔的问题；从下至上进行冲孔时，由于只有岩段钻孔承担排渣工作，岩段钻孔稳定性较强，孔壁不会发生变形，且由于排渣孔段的长度较短，排渣的阻力相对较小，有利于煤渣水排出孔洞。