掘進(jìn)工作面水力造穴工程試驗(yàn)分析

張根，張志晶，馬濤

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦， 山西 長治市 046000；2.河南理工大學(xué)， 河南 焦作市 454000)

0 引言

五陽煤礦主采3#煤層，礦井瓦斯治理措施以順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯為主[1-3]，在日常工作中存在鉆孔工程量大、鉆孔易塌孔、單孔純量低等問題，直接導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，進(jìn)而造成目前采掘抽嚴(yán)重失調(diào)的困難局面。為了解決這一困境，結(jié)合水鉆釋放孔施工經(jīng)驗(yàn)和煤層實(shí)際條件，發(fā)現(xiàn)水力造穴增透措施，能夠較好地對煤層進(jìn)行卸壓增透，減緩單孔抽采量衰減，增強(qiáng)抽采效果，從而縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，緩解抽掘采銜接緊張的局面。

結(jié)合五陽煤礦3#煤層實(shí)際情況，進(jìn)行了掘進(jìn)工作面水力造穴瓦斯治理工程試驗(yàn)。3#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為 0.0063 d-1、透氣性系數(shù)為 0.412 m2/(MPa2·d)～0.88 m2/(MPa2·d)，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.2～0.5，根據(jù)日常井下瓦斯含量測量結(jié)果顯示，本區(qū)域煤層瓦斯現(xiàn)場解吸速度慢，且60%～70%的瓦斯為粉碎解吸量，導(dǎo)致抽采鉆孔單孔抽采量低。本區(qū)域地應(yīng)力大，且復(fù)雜多變，鉆孔成孔后易塌孔，抽采區(qū)域地應(yīng)力難以釋放，進(jìn)而抑制瓦斯解吸，導(dǎo)致抽采鉆孔單孔抽采量衰減快。

1 掘進(jìn)工作面水力造穴工程試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)工藝參數(shù)

試驗(yàn)地點(diǎn)：8006回風(fēng)巷。水力造穴釋放孔：迎頭布置4個(gè)釋放鉆孔，孔深均為110 m，其中1#、2#釋放鉆孔為普通水鉆釋放孔，3#、4#釋放鉆孔為水力造穴釋放孔，見圖1。3#鉆孔施工至15 m開始造穴，4#鉆孔施工至17 m開始造穴，造穴間距為5 m，造穴段長度為1 m，造穴煤量為0.5 m3，3#鉆孔共造穴20個(gè)，4#鉆孔共造穴19個(gè)。

圖1 8006回風(fēng)巷迎頭水力造穴釋放孔布置

1.2 試驗(yàn)效果對比

釋放煤量效率對比，普通水鉆釋放孔：出煤量為22.38 m3；水力造穴釋放孔：出煤量為31.72 m3；釋放煤量效率提高41.7%。

回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葘Ρ纫妶D2，以第一循環(huán)為例，8006回風(fēng)巷出煤巷掘進(jìn)期間風(fēng)量為1400 m3/min，瓦斯含量為12 m3/t，割煤期間回風(fēng)流濃度為0.6%。采取水力造穴釋放孔措施后，8006回風(fēng)巷風(fēng)量為1000 m3/min，原煤瓦斯含量為14 m3/t，割煤期間回風(fēng)流濃度為0.35%～0.4%。同樣在第一循環(huán)內(nèi)，8006運(yùn)輸巷風(fēng)量為1400 m3/min，原煤瓦斯含量為14 m3/t，割煤期間回風(fēng)流濃度為0.6%～0.74%。

圖2 8006運(yùn)回兩巷瓦斯涌出量對比

2 掘進(jìn)工作面水力造穴工程試驗(yàn)分析

2.1 水力造穴釋放孔對煤體水分的影響

水力化措施后，周邊煤體向鉆孔移動(dòng)時(shí)造成裂隙擴(kuò)展，與此同時(shí)，高壓水亦會(huì)隨裂隙擴(kuò)展而流動(dòng)，對煤層進(jìn)行補(bǔ)水[4-6]。因此煤層的補(bǔ)水范圍與裂隙擴(kuò)展范圍近似一致。由于在工作面煤墻直接測量裂隙的擴(kuò)展范圍受裂隙可視寬度、采動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)擴(kuò)展影響[7-8]，測量的裂隙擴(kuò)展范圍可靠性不高（如圖3所示，僅能觀測到明顯裂隙，且很難判定裂隙的成因），故采用水分測試推算煤層補(bǔ)水范圍。

圖3 裂隙擴(kuò)展范圍

測試方法：在造穴里程20 m、50 m、80 m附近，選取造穴孔非造穴段，在鉆孔周邊沿水平、垂直方向，按間距0.3 m、0.2 m、0.2 m、0.2 m、0.2 m各布置5個(gè)取樣孔（見圖4），鉆孔長度2 m，取樣深度2 m，取樣重量3 kg。用于分析不同造穴里程下煤層補(bǔ)水范圍。

根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)可以看出，在測試范圍內(nèi)煤層平均水分由原煤的1.09%增加到3.16%，最大達(dá)到5.15%。在測試期間考慮到巷道中部 2個(gè)普通孔影響，測試區(qū)半徑為1.1 m，在測試區(qū)邊緣水分仍遠(yuǎn)大于原煤水分，根據(jù)各水分測試點(diǎn)變化規(guī)律得出，補(bǔ)水范圍半徑為 1.5 m，因此水力造穴釋放孔工藝對工作面迎頭補(bǔ)水范圍要超過煤墻面積的79%。

圖4 水分取樣點(diǎn)分布

2.2 水分對煤層瓦斯解吸速度的影響

水力造穴釋放鉆孔一方面起到卸壓增透，加快破碎煤體瓦斯釋放的作用，另一方面也起到對洞穴周邊煤體補(bǔ)水濕潤，抑制濕潤煤體瓦斯解吸的作用[8-12]。

在 8006回巷開口處取樣后經(jīng)過粉碎得到五陽煤礦3#煤層0.17 mm～0.25 mm粒度煤樣，進(jìn)行不同水分和統(tǒng)一平衡壓力下煤的自然解吸試驗(yàn)，瓦斯解吸速度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖5 造穴里程20 m、50 m、80 m處造穴孔周邊煤層補(bǔ)水情況

圖6 平衡壓力2.5 MPa時(shí)不同水分條件下煤樣瓦斯解吸速度

（1）不同水分煤樣解吸規(guī)律均符合冪指數(shù)函數(shù)。

（2）水分為1%煤樣初始瓦斯解吸速度最大，擬合系數(shù)b值達(dá)1.7233，說明水分為1%煤樣的甲烷解吸具有初始速度大、衰減速度快的特點(diǎn)，而注水煤樣隨著水分含量的增高，b值從1.7233下降到0.9342，說明水分的注入影響了煤樣中甲烷的解吸，使初始解吸速度變小，衰減速度變慢。

（3）分析可知：注水使初始解吸速度減小，解吸過程變得更加平緩，避免了大量瓦斯的突然釋放。

（4）隨著水分的增加，初始瓦斯解吸速度b值在不斷降低。注水煤樣瓦斯初始解吸速度降低，可以有效地防止瓦斯的突然大量解吸，對煤與瓦斯突出防治有利；隨著水分的增加，衰減速度不斷減慢，煤中甲烷的解吸變得比較均勻，不易出現(xiàn)稍遇擾動(dòng)就大量釋放甲烷的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果正是水力造穴鉆孔抽采純量衰減慢的重要原因和水力造穴釋放孔作用下掘進(jìn)工作面割煤期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊偷母驹颉?/p>

2.3 不同釋放孔工藝下煤體瓦斯含量對比分析

將 8006回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷含量測試結(jié)果和掘進(jìn)工作面回風(fēng)流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：含量的大小并不是影響掘進(jìn)工作面回風(fēng)流濃度的根本原因，其根本原因在于煤在短時(shí)間內(nèi)的解吸特征。

割煤期間的破煤過程是造成回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙闹苯釉颉Ｒ话阏麄€(gè)割煤時(shí)間持續(xù)約40 min，其瓦斯來源包括煤體中游離瓦斯、W1+W2和新鮮迎頭自然釋放。

根據(jù)瓦斯含量計(jì)算公式，8006回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷煤體含量各項(xiàng)指標(biāo)和游離瓦斯見表1。

表2 采取措施后瓦斯含量測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）水力造穴釋放孔造穴期間對煤層擾動(dòng)范圍大，對煤層的補(bǔ)水范圍半徑為1.5 m，鉆孔施工過程中，工作面迎頭范圍內(nèi)煤體通過造穴裂隙基本溝通，同時(shí)游離瓦斯亦通過這些裂隙提前散逸，而普通釋放孔對煤層擾動(dòng)遠(yuǎn)不如水力造穴釋放孔，水力造穴釋放孔工藝對工作面迎頭補(bǔ)水范圍要超過煤墻面積的79%。

（2）采取水力造穴釋放孔措施后，補(bǔ)水范圍內(nèi)煤體含水量明顯增加，水分對瓦斯解吸的抑制作用，使得落煤解吸瓦斯速度和解吸量（40 min內(nèi)）得到明顯緩解，不易出現(xiàn)瓦斯的突然大量解吸，有效地解決了單孔抽采純量衰減快，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛群龈邌栴}。