掘进工作面水力造穴工程试验分析

张根，张志晶，马涛

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿， 山西 长治市 046000；2.河南理工大学， 河南 焦作市 454000)

0 引言

五阳煤矿主采3#煤层，矿井瓦斯治理措施以顺层钻孔预抽煤层瓦斯为主[1-3]，在日常工作中存在钻孔工程量大、钻孔易塌孔、单孔纯量低等问题，直接导致抽采达标时间长，进而造成目前采掘抽严重失调的困难局面。为了解决这一困境，结合水钻释放孔施工经验和煤层实际条件，发现水力造穴增透措施，能够较好地对煤层进行卸压增透，减缓单孔抽采量衰减，增强抽采效果，从而缩短抽采达标时间，缓解抽掘采衔接紧张的局面。

结合五阳煤矿3#煤层实际情况，进行了掘进工作面水力造穴瓦斯治理工程试验。3#煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.0063 d-1、透气性系数为 0.412 m2/(MPa2·d)～0.88 m2/(MPa2·d)，坚固性系数f=0.2～0.5，根据日常井下瓦斯含量测量结果显示，本区域煤层瓦斯现场解吸速度慢，且60%～70%的瓦斯为粉碎解吸量，导致抽采钻孔单孔抽采量低。本区域地应力大，且复杂多变，钻孔成孔后易塌孔，抽采区域地应力难以释放，进而抑制瓦斯解吸，导致抽采钻孔单孔抽采量衰减快。

1 掘进工作面水力造穴工程试验

1.1 试验工艺参数

试验地点：8006回风巷。水力造穴释放孔：迎头布置4个释放钻孔，孔深均为110 m，其中1#、2#释放钻孔为普通水钻释放孔，3#、4#释放钻孔为水力造穴释放孔，见图1。3#钻孔施工至15 m开始造穴，4#钻孔施工至17 m开始造穴，造穴间距为5 m，造穴段长度为1 m，造穴煤量为0.5 m3，3#钻孔共造穴20个，4#钻孔共造穴19个。

图1 8006回风巷迎头水力造穴释放孔布置

1.2 试验效果对比

释放煤量效率对比，普通水钻释放孔：出煤量为22.38 m3；水力造穴释放孔：出煤量为31.72 m3；释放煤量效率提高41.7%。

回风流瓦斯浓度对比见图2，以第一循环为例，8006回风巷出煤巷掘进期间风量为1400 m3/min，瓦斯含量为12 m3/t，割煤期间回风流浓度为0.6%。采取水力造穴释放孔措施后，8006回风巷风量为1000 m3/min，原煤瓦斯含量为14 m3/t，割煤期间回风流浓度为0.35%～0.4%。同样在第一循环内，8006运输巷风量为1400 m3/min，原煤瓦斯含量为14 m3/t，割煤期间回风流浓度为0.6%～0.74%。

图2 8006运回两巷瓦斯涌出量对比

2 掘进工作面水力造穴工程试验分析

2.1 水力造穴释放孔对煤体水分的影响

水力化措施后，周边煤体向钻孔移动时造成裂隙扩展，与此同时，高压水亦会随裂隙扩展而流动，对煤层进行补水[4-6]。因此煤层的补水范围与裂隙扩展范围近似一致。由于在工作面煤墙直接测量裂隙的扩展范围受裂隙可视宽度、采动应力继续扩展影响[7-8]，测量的裂隙扩展范围可靠性不高（如图3所示，仅能观测到明显裂隙，且很难判定裂隙的成因），故采用水分测试推算煤层补水范围。

图3 裂隙扩展范围

测试方法：在造穴里程20 m、50 m、80 m附近，选取造穴孔非造穴段，在钻孔周边沿水平、垂直方向，按间距0.3 m、0.2 m、0.2 m、0.2 m、0.2 m各布置5个取样孔（见图4），钻孔长度2 m，取样深度2 m，取样重量3 kg。用于分析不同造穴里程下煤层补水范围。

根据图5中数据可以看出，在测试范围内煤层平均水分由原煤的1.09%增加到3.16%，最大达到5.15%。在测试期间考虑到巷道中部 2个普通孔影响，测试区半径为1.1 m，在测试区边缘水分仍远大于原煤水分，根据各水分测试点变化规律得出，补水范围半径为 1.5 m，因此水力造穴释放孔工艺对工作面迎头补水范围要超过煤墙面积的79%。

图4 水分取样点分布

2.2 水分对煤层瓦斯解吸速度的影响

水力造穴释放钻孔一方面起到卸压增透，加快破碎煤体瓦斯释放的作用，另一方面也起到对洞穴周边煤体补水湿润，抑制湿润煤体瓦斯解吸的作用[8-12]。

在 8006回巷开口处取样后经过粉碎得到五阳煤矿3#煤层0.17 mm～0.25 mm粒度煤样，进行不同水分和统一平衡压力下煤的自然解吸试验，瓦斯解吸速度随时间的变化曲线如图6所示。

图5 造穴里程20 m、50 m、80 m处造穴孔周边煤层补水情况

图6 平衡压力2.5 MPa时不同水分条件下煤样瓦斯解吸速度

（1）不同水分煤样解吸规律均符合幂指数函数。

（2）水分为1%煤样初始瓦斯解吸速度最大，拟合系数b值达1.7233，说明水分为1%煤样的甲烷解吸具有初始速度大、衰减速度快的特点，而注水煤样随着水分含量的增高，b值从1.7233下降到0.9342，说明水分的注入影响了煤样中甲烷的解吸，使初始解吸速度变小，衰减速度变慢。

（3）分析可知：注水使初始解吸速度减小，解吸过程变得更加平缓，避免了大量瓦斯的突然释放。

（4）随着水分的增加，初始瓦斯解吸速度b值在不断降低。注水煤样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，对煤与瓦斯突出防治有利；随着水分的增加，衰减速度不断减慢，煤中甲烷的解吸变得比较均匀，不易出现稍遇扰动就大量释放甲烷的情况。

上述试验结果正是水力造穴钻孔抽采纯量衰减慢的重要原因和水力造穴释放孔作用下掘进工作面割煤期间回风流瓦斯浓度低的根本原因。

2.3 不同释放孔工艺下煤体瓦斯含量对比分析

将 8006回风巷、运输巷含量测试结果和掘进工作面回风流数据进行统计分析发现：含量的大小并不是影响掘进工作面回风流浓度的根本原因，其根本原因在于煤在短时间内的解吸特征。

割煤期间的破煤过程是造成回风流瓦斯浓度上升的直接原因。一般整个割煤时间持续约40 min，其瓦斯来源包括煤体中游离瓦斯、W1+W2和新鲜迎头自然释放。

根据瓦斯含量计算公式，8006回风巷、运输巷煤体含量各项指标和游离瓦斯见表1。

表2 采取措施后瓦斯含量测试结果

3 结论

（1）水力造穴释放孔造穴期间对煤层扰动范围大，对煤层的补水范围半径为1.5 m，钻孔施工过程中，工作面迎头范围内煤体通过造穴裂隙基本沟通，同时游离瓦斯亦通过这些裂隙提前散逸，而普通释放孔对煤层扰动远不如水力造穴释放孔，水力造穴释放孔工艺对工作面迎头补水范围要超过煤墙面积的79%。

（2）采取水力造穴释放孔措施后，补水范围内煤体含水量明显增加，水分对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内）得到明显缓解，不易出现瓦斯的突然大量解吸，有效地解决了单孔抽采纯量衰减快，回风流瓦斯浓度忽高问题。