復(fù)合水力化措施在霍爾辛赫煤業(yè)的應(yīng)用*
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王龍康1,2 李祥春2 李安金2 劉艷麗2 梁 敏3 張如明4 常 溪1 尤 沖1
（1.中國礦業(yè)大學（北京）管理學院，北京市海淀區(qū)，100083；2．中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；3．中煤盤江重工有限公司，貴州省貴陽市，550009;4．國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029）
摘 要 針對霍爾辛赫煤業(yè)瓦斯含量高、煤層透氣性低、不具備保護層開采條件等問題，選擇在西回風大巷和8#聯(lián)絡(luò)巷試驗復(fù)合水力化卸壓增透措施，闡述了復(fù)合水力化措施的工藝流程及泄壓增透機理。研究表明，采取復(fù)合水力化卸壓措施后，抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量得到有效提高，同時，在采取復(fù)合水力化卸壓增透措施后，在巷道掘進過程中，效檢指標鉆屑瓦斯解析指標K1和鉆屑量s的超標率明顯降低，提高了巷道的掘進速度，有效緩解了工作面接替緊張的局面。
關(guān)鍵詞 水力化措施 泄壓增透抽采濃度抽采純量 鉆屑瓦斯解析指標 鉆屑量
中圖分類號 TD713. 34
近年來，隨著開采深度的增加，地壓也不斷增大，煤與瓦斯動力災(zāi)害的威脅也越來越大，特別是一些高應(yīng)力、大采深、無煤柱保護的低透氣松軟煤層，瓦斯抽采難度大，嚴重影響了工作面的采掘進度。因此，如何在大采深、低透氣性煤層中有效解決瓦斯抽采效率低下，工作面采掘進度慢，接替緊張等問題，確保煤巷快速安全掘進是礦井瓦斯災(zāi)害防治急需解決的關(guān)鍵問題。為了提高瓦斯抽采效率，有效預(yù)防煤與瓦斯突出，國內(nèi)學者及現(xiàn)場工作人員針對無保護層開采的煤層先后試驗應(yīng)用了松動爆破、超前排放鉆孔、深孔控制卸壓爆破和預(yù)抽煤層瓦斯等多項防突措施，有效減少了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，取得了明顯的防突效果，但是這些消突措施都具有相對的局限性。水力沖孔及水力割縫等水力化泄壓增透措施工藝流程
相對簡單，不易誘導煤與瓦斯突出，是一種可靠的泄壓增透措施。水力沖孔泄壓增透措施利用巖石巷道為安全屏障，利用帶壓水流作用沖出部分煤體和瓦斯，并在煤體中沖出孔洞，引起孔洞周邊煤巖體應(yīng)力降低及應(yīng)力重新分布，提高煤層的透氣性，實現(xiàn)采掘工作面的安全快速采掘。由于水力沖孔沖出煤量多，煤體卸壓和排放瓦斯充分，從而能夠快速消除工作面的突出危險性。
霍爾辛赫煤業(yè)瓦斯含量高，煤層透氣性低，屬于難以抽采煤層，同時不具備保護層開采條件，造成采掘進度慢，工作面接替緊張，選擇在西回風大巷和8#聯(lián)絡(luò)巷試驗采取水力沖孔和孔底切割相結(jié)合的復(fù)合水力化卸壓增透措施，有效解決工作面接替緊張局面。
1 試驗區(qū)概況
霍爾辛赫煤業(yè)3#煤層瓦斯含量為10. 93 m3/t，瓦斯壓力為0. 18 M Pa，煤層透氣性低，瓦斯難以抽采。試驗地點選在西回風大巷盡頭和主運大巷與西回風大巷之間的8#聯(lián)絡(luò)巷。兩條巷道形狀均為矩形，西回風大巷試驗區(qū)巷斷面尺寸為4. 35 m×5.5 m（高×寬）；8#聯(lián)絡(luò)巷試驗區(qū)巷斷面尺寸為3.8 m×5.3 m（高×寬）。主運大巷為掘進工作面，所選試驗區(qū)處于主運大巷的回風流中，風量滿足工作要求。試驗區(qū)煤層為近水平，煤層底板等高線平均為+430 m，地面標高平均為+926.5 m，煤層厚度5～6 m，根據(jù)現(xiàn)場觀察8#聯(lián)絡(luò)巷試驗區(qū)煤層裂隙較發(fā)育，西回風大巷試驗區(qū)煤層裂隙發(fā)育較差，且在打鉆時有多個孔見矸。
2 復(fù)合水力化措施在現(xiàn)場的應(yīng)用
2.1 水力化措施孔的布置方式
在西回風大巷和8#聯(lián)絡(luò)巷共布置20個鉆孔用于實施復(fù)合水力化措施。開孔位置距離底板1.5 m，為考察復(fù)合水力化措施的有效影響半徑，20個措施孔分為五組，每組4個鉆孔，組間距為5m，其中8#聯(lián)絡(luò)巷布置鉆孔間距為4 m的一組鉆孔，西回風大巷布置鉆孔間距為2.5 m、3 m、3.5 m、4.5 m的四組鉆孔，孔高1.5 m，呈“一”字型布置，措施鉆孔的布置見圖1，鉆孔施工參數(shù)見表1。
2.2 技術(shù)參數(shù)與工藝過程
此次試驗鉆孔均為順層鉆孔，鉆孔全段處于煤層中，考慮到采用聚氨酯封孔長度12 m，從孔口向里預(yù)留15 m封孔段不進行強化增透，剩余段進行水力強化增透。水力強化增透試驗從10#鉆孔開始，根據(jù)10#鉆孔試驗時返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度，確定試驗采用10～16 M Pa的水壓沖洗鉆孔，35～36 M Pa的水壓切割鉆孔；由內(nèi)向外每0. 5～0.6 m作為一個沖孔循環(huán)，每個循環(huán)沖孔時間為1.5 min，每后退1～3 m觀察返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度。
復(fù)合水力化增透試驗情況統(tǒng)計見表2。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)記錄，返水正常情況下，攜帶的煤渣塊度大多是棗核到杏核般大小，此時的返水較清；當出現(xiàn)返水量變小的情況下，有較大的煤塊堵塞鉆孔，此時會出現(xiàn)較短時間的大量噴水，水渾濁且攜帶大量煤渣，煤渣塊度最大有拳頭般大��；沖出煤量均在1 t左右。根據(jù)現(xiàn)場瓦斯探頭檢測，沖孔前和沖孔后試驗區(qū)巷道中瓦斯?jié)舛葞缀醪蛔兓?
采取復(fù)合水力化增透措施的有15個鉆孔，其中5#孔與8#孔由于空口破壞嚴重，封孔存在漏氣情況，故這兩個未并人抽采管路。由于篇幅所限，給出6個鉆孔的抽采效果圖，如圖3所示。
由圖3 (a)可以看出，10#鉆孔的最高抽采濃度為99. 9%，最低濃度為0%。其最高濃度出現(xiàn)在剛并入管路時，最低濃度是水和煤渣堵孔造成的，10#鉆孔的抽采濃度和抽采流量極不穩(wěn)定，變化幅度較大，日抽采純量最多時為185. 35 m3，20 d累計抽采瓦斯量636. 74 m3。
由圖3 (b)可以看出，11#鉆孔抽采濃度和抽采流量整體較穩(wěn)定，最高抽采濃度和最大抽采流量均出現(xiàn)在并管抽采時，分別為18.4%、0.227 m3/min，此時的日抽采純量最高為60.15 m3，18 d的累積抽采瓦斯量248. 11m3。
由圖3 (c)可以看出，12#鉆孔并人抽采管路后前兩天，由于封孔時聚氨酯進入封孔管，將封孔管堵死，這兩天的抽采量為0 m3，疏通之后，抽采濃度上升至43. 4%，日抽采瓦斯純量最高63.12m3，累積抽采瓦斯量226. 35 m3。
由圖3 (d)和(e)可以看出，15#鉆孔最高抽采濃度52. 3%，最低12. 4%；16#鉆孔最高抽
采濃度46. 4%，最低25%；15#、16#鉆孔10 d累積抽采量分別為186. 72 m3、208. 05m3。
由圖3 (f)可以看出，19#鉆孔效果較好，抽采濃度最高71. 7%，最低38. 6%，5d的累積抽采瓦斯量已達到148. 86 m3。
從以上效果分析可以看出，采取水力沖孔卸壓措施后，抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量都得到有效提高。同時，在采取水力沖孔卸壓增透措施后，在巷道掘進過程中，效檢指標鉆屑瓦斯解析指標K1和鉆屑量S的超標率明顯降低，提高了巷道的掘進速度，有效緩解了工作面接替緊張的局面。
3 復(fù)合水力化措施泄壓增透機理分析
水力沖孔過程是利用帶壓水流破壞煤體結(jié)構(gòu)，改變煤體及頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布，釋放大量瓦斯的過程。水力沖孔的實質(zhì)首先是利用高壓水射流破碎煤體在一定時間內(nèi)沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤體原應(yīng)力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應(yīng)力狀態(tài)重新分布，集中應(yīng)力帶前移，有效應(yīng)力降低；其次煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，
煤層瓦斯透氣性顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤體，煤體的塑性增加，脆性減小，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。針對煤體較硬，堅固性系數(shù)較大的煤層，水力沖孔不能有效沖刷出煤體，水力沖孔措施不能達到預(yù)定效果。此時，先采取孔底切割的措施，破壞鉆孔底部煤體的強度，使部分煤體破碎剝落，然后采取水力沖孔的措施，能沖出煤體并形成孔洞，達到泄壓增透的目的。通過實施復(fù)合水力化措施，增加了松軟低透煤層瓦斯解吸速度，提高了瓦斯抽放效果。同時，利用水力沖孔過程沖出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個安全區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，起到了有效防治突出效果。
4 結(jié)論
(1)水力沖孔泄壓增透措施通過高壓射流破碎煤體來改變煤體應(yīng)力狀態(tài)，造成沖出孔洞周圍煤體應(yīng)力重新分布，增加煤體透氣性，提高煤層的瓦斯預(yù)抽效果。
(2)根據(jù)試驗時返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度，確定10～16 M Pa的水壓沖洗鉆孔，35～36 M Pa的水壓切割鉆孔為最佳水壓。
(3)通過采取水力沖孔卸壓增透措施，抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量都得到有效提高，巷道掘進過程中，效檢指標超標率明顯降低，巷道的掘進速度提高，有效緩解了工作面接替緊張的局面。
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