段啟兵

（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655000）

1 工程概況

平煤十二礦己15-17220 工作面井下位于七采區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)度為150 m，走向長(zhǎng)度為910 m。工作面開采己15 煤層，煤層平均厚度3.3 m，平均傾角為20°。煤層最大瓦斯壓力為2.7 MPa，最大瓦斯含量為14.51 m3/t，且己15-17220 工作面區(qū)域瓦斯含量較高，煤層具有較高的突出危險(xiǎn)性。己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道屬于煤巷，現(xiàn)為防止煤巷掘進(jìn)期間出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，在己15-17220 底抽巷（位于進(jìn)風(fēng)巷下側(cè)，具體工作面布置形式如圖1）采用水射流增透技術(shù)，向煤巷待掘區(qū)域施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，以確保巷道掘進(jìn)安全。

圖1 己15-17220 工作面布置位置圖

2 水射流增透技術(shù)

2.1 水射流增透原理

水射流增透技術(shù)是一種解決高突煤層瓦斯抽采率、消除突出危險(xiǎn)性的主要措施之一[1-2]，其主要以高效的作用對(duì)煤層形成改性。具體技術(shù)原理為：通過高壓水射流在煤體進(jìn)行切割，破壞煤體內(nèi)原有的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)煤體內(nèi)部裂隙的進(jìn)一步發(fā)育。另外，高壓水射流還可對(duì)煤體應(yīng)力進(jìn)行有效卸除，煤體內(nèi)裂隙的擴(kuò)展可為瓦斯運(yùn)移提供充足的通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高煤層透氣性的目的。在煤層內(nèi)采用水射流技術(shù)時(shí)，水射流的沖擊作用會(huì)降低煤體孔隙結(jié)構(gòu)中的吸附，增大煤體內(nèi)部的空隙空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體內(nèi)大量吸附瓦斯的有效抽采。

根據(jù)相關(guān)理論研究和試驗(yàn)結(jié)果表明[3-4]，在高突煤層內(nèi)采用水射流技術(shù)時(shí)，水射流的沖擊作用會(huì)改善煤體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，使得煤體中的微小孔隙的含量減少，煤體中大孔隙的含量增大，煤體內(nèi)的瓦斯更易從吸附狀態(tài)向游離狀態(tài)轉(zhuǎn)變。水射流方案實(shí)施后滲流通道的增多會(huì)加快瓦斯從孔隙向裂隙的滲透。據(jù)此可知，水射流技術(shù)可提高煤層的瓦斯抽采速率，降低煤層內(nèi)的瓦斯含量，消除煤層的突出危險(xiǎn)性。

2.2 水射流系統(tǒng)及工藝

水射流系統(tǒng)主要由高壓泵、鉆桿、噴頭、高壓膠管及鉆機(jī)等組成，具體增透工藝設(shè)施的布置形式如圖2。

圖2 水射流增透工藝示意圖

具體工藝流程如下：

（1）在巷道內(nèi)按照穿層鉆孔的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，確保穿層鉆孔穿過整個(gè)煤層區(qū)域；

（2）采用鉆機(jī)作為噴頭和鉆桿的給進(jìn)動(dòng)力，按照從下到上的順序進(jìn)行預(yù)定鉆孔的擴(kuò)孔作業(yè)；

（3）通過水射流鉆桿將水射流噴頭送至煤層段上端；

（4）連接好水射流系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備，確保系統(tǒng)連接的正確性及接頭連接是否完好；

（5）水射流系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行開泵作業(yè)，泵初始運(yùn)轉(zhuǎn)期間將壓力調(diào)至5 MPa，確保管路及噴頭無堵塞現(xiàn)象，確認(rèn)無誤后逐步升高泵機(jī)壓力，直至達(dá)到設(shè)定壓力值；

（6）擴(kuò)孔開始后，采用鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)孔內(nèi)反水時(shí)再慢慢給進(jìn)，通過高壓水射流進(jìn)行煤體切割；

（7）每完成一根鉆桿長(zhǎng)度的煤層段擴(kuò)孔后，需進(jìn)行停泵、卸壓作業(yè)，隨后依次進(jìn)行下段煤體水射流擴(kuò)孔，直至擴(kuò)孔作業(yè)完成。

3 瓦斯抽采方案及實(shí)施效果

3.1 瓦斯抽采方案

己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽采采用普通抽采鉆孔與水射流鉆孔間隔交替布置，抽采方案實(shí)施時(shí)先進(jìn)行普通鉆孔的打設(shè)與抽采。普通抽采鉆孔每組施工7 個(gè)，抽采鉆孔直徑為94 mm，每組鉆孔間的間距為5 m。普通抽采鉆孔施工完畢后進(jìn)行大直徑水射流鉆孔的施工作業(yè)，水射流鉆孔每組施工3個(gè)，不同組之間的間距為5 m，水射流鉆孔的終孔位置布置在待掘區(qū)域。為實(shí)現(xiàn)待掘區(qū)域瓦斯的均衡治理，設(shè)置鉆孔的終孔位置分別位于煤巷兩幫及其內(nèi)部，水射流鉆孔直徑為120 mm，每個(gè)鉆孔的出煤量為3～4 t。另外為防止水射流鉆孔在進(jìn)行鉆孔與抽采期間，鉆孔周圍煤體在高壓水的作用下出現(xiàn)位移，導(dǎo)致其臨近抽采鉆孔出現(xiàn)變形閉合的現(xiàn)象，特在待抽煤巷區(qū)域內(nèi)施工補(bǔ)償抽采鉆孔。每組水射流鉆孔內(nèi)部布置2 個(gè)補(bǔ)償鉆孔，其直徑為94 mm，孔間距為5 m。具體鉆孔布置方式如圖3。

圖3 瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

圖3 中3#、7#和10#鉆孔為水射流鉆孔，5#和9#鉆孔為補(bǔ)償鉆孔，其余鉆孔均為普通抽采鉆孔。具體各類鉆孔施工參數(shù)見表1。

表1 瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)表

根據(jù)鉆孔施工過程中的記錄數(shù)據(jù)可知，普通抽采鉆孔在施工時(shí)偶爾出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，噴煤粉的最大距離為2 m，單孔最大噴煤量為1.3 t。水射流鉆孔施工過程中無噴孔現(xiàn)象出現(xiàn)，這即可表明采用普通鉆孔與水射流鉆孔配合抽采的方式可實(shí)現(xiàn)較好的防噴孔效果。

3.2 效果分析

為分析己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷在現(xiàn)有瓦斯抽采方案下的抽采效果，在普通鉆孔與水射流鉆孔抽采期間分別進(jìn)行瓦斯抽采濃度的分析。通過對(duì)比分析驗(yàn)證水射流鉆孔增透效果，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，為方便研究分析，現(xiàn)選取對(duì)24 組鉆孔瓦斯抽采濃度進(jìn)行分析。該組水射流鉆孔在普通抽采鉆孔施工60 d 后進(jìn)行施工。具體鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€如圖4。

分析圖4（a）可知，進(jìn)風(fēng)巷普通抽采作業(yè)開始前期抽采濃度較高，在抽采前5 d 內(nèi)抽采濃度平均為75%，隨著抽采時(shí)間的增大，普通鉆孔的瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)大幅下降的趨勢(shì)，當(dāng)抽采進(jìn)行至第10 d時(shí)，普通鉆孔的抽采濃度僅剩下20%。進(jìn)一步分析水射流鉆孔抽采瓦斯?jié)舛瓤芍?，水射流鉆孔隨著抽采時(shí)間的增大，抽采瓦斯衰減較為緩慢，且抽采濃度較高。在抽采進(jìn)行至第40 d 時(shí)，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛热钥杀３衷?0%的濃度。水射流鉆孔能夠保持高濃度瓦斯抽采的主要原因?yàn)樗淞鲗?duì)周圍煤體進(jìn)行了有效的卸壓增透，充分地釋放了鉆孔周圍煤體內(nèi)的瓦斯。通過上述分析可知水射流鉆孔具有較強(qiáng)的抽采瓦斯能力。分析圖4（b）可知，在水射流鉆孔施工后12 h 內(nèi)，普通鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛纫财骄龃?7.3%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樗淞縻@孔對(duì)煤體增透影響至普通鉆孔周圍的煤體。

圖4 鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€圖

己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷抽采達(dá)標(biāo)后，為有效判斷巷道掘進(jìn)期間是否存在突出危險(xiǎn)性，采用鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)資料可知[5-7]預(yù)測(cè)指標(biāo)的參考臨界值見表2。

表2 預(yù)抽指標(biāo)參考臨界值

巷道抽采完成后的測(cè)試結(jié)果如圖5 曲線圖。

圖5 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線圖

分析圖5 可知，己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷抽采方案實(shí)施后，鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S均小于臨界值，這即表明抽采方案實(shí)施后，消除了煤巷的突出危險(xiǎn)性，煤巷條帶的瓦斯得到了有效治理。

4 結(jié)論

根據(jù)己15-17220 工作面進(jìn)風(fēng)巷的地質(zhì)條件，通過分析水射流增透技術(shù)原理及系統(tǒng)工藝，進(jìn)行煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯抽采方案的設(shè)計(jì)，確定抽采方案采用普通鉆孔+水射流鉆孔+補(bǔ)償鉆孔相結(jié)合的抽采方式，并在抽采方案實(shí)施后進(jìn)行抽采及消突效果的評(píng)價(jià)。根據(jù)分析結(jié)果可知，水射流鉆孔對(duì)煤體卸壓增透效果顯著，抽采方案有效消除了煤巷的突出危險(xiǎn)性。