松软低透煤层底板岩巷水力冲孔治理瓦斯技术研究

程东全 孙 飞

（1.上海交通大学安泰经济与管理学院，上海市长宁区，200052；2.河南永华能源有限公司，河南省洛阳市，471924）

松软低透煤层底板岩巷水力冲孔治理瓦斯技术研究

程东全1孙 飞2

（1.上海交通大学安泰经济与管理学院，上海市长宁区，200052；2.河南永华能源有限公司，河南省洛阳市，471924）

针对大多数开采单一松软低透煤层时瓦斯治理面临的困难，提出了松软低透煤层底板岩巷水力冲孔技术，阐述了该技术的原理，在偃龙煤田的二1煤层进行了现场应用，结果表明，从12041工作面上巷的实际抽放情况来看，瓦斯抽放浓度在15%～20%之间，工作面回风流的瓦斯平均浓度从0.6%降到0.3%左右，并消除了工作面在放顶煤过程中出现的瞬间瓦斯超限现象。

松软低透煤层 底板岩巷 水力冲孔 一孔三用

近年来，一些多煤层开采矿区利用保护层开采、临近层抽放等技术，成功地解决了低透气煤层的瓦斯抽放问题，矿井安全面貌大有改观。而对于大多数单一松软低透煤层的瓦斯治理由于打钻困难，煤层透气性低等原因，本煤层瓦斯抽放技术一直没有大的突破，已经成为世界性难题。实现在单一松软低透煤层快速高效的抽放瓦斯，是矿井安全生产的迫切需要。

1 煤层底板岩巷水力冲孔工艺及机理

水力冲孔工艺是以煤层底板岩巷为屏障，在岩巷内施工穿层钻孔，然后用高压水进行水力冲孔，在松软低透煤层中，人为地创造一个瓦斯释放空间和通道，有效地提高抽放效果；当瓦斯抽放达到目标后，利用预抽钻孔对煤层进行注水；工作面回采后，再次利用底板岩巷抽放钻孔对采空区进行抽放，实现一孔三用。

水力冲孔机理是从钻孔中卸除大量的煤以后，由于钻孔周边的煤体向钻孔位移和松动，形成新的裂隙，从而大大增加煤层的透气性，同时瓦斯压力梯度降低，瓦斯大量解析，瓦斯抽放量成倍提高。

2 试验区概况

偃龙煤田二1煤层顶板为6m厚的砂质泥岩，质地松软极易垮落。煤层底板为0.3m的胶质泥岩，其次是2～4m厚的泥质页岩，层理发育、易破碎，下部为厚4～6m质地坚硬的灰岩。二1煤层机械强度低，硬度系数0.1～0.2，松软易碎，多呈粉状及小碎粒状产出，是典型的松软低透煤层。二1煤层在生产过程中表现出的特点是：煤质松软适合手镐落煤，煤质呈小颗粒或粉状极易发生漏顶现象；煤层干燥，工作面粉尘大，巷道掘进前煤层必须注水否则无法施工；巷道围岩松软压力大，煤巷维护困难，掘进施工过程中瓦斯涌出量大，掘进工作面长度超过30m时，仅靠风排已不能解决瓦斯超限问题，月掘进进尺仅为30～40m。

3 底板岩巷水力冲孔瓦斯治理技术

3.1 底板岩巷及抽放钻孔的布置

在煤层下部灰岩内按照回采工作面走向布置岩石集中巷，在底板岩巷向煤层打穿层钻孔，见图1。

在底板岩巷内每间隔30m布置1个钻场，每个钻场布置7个钻孔，每个钻孔控制半径不大于2.5m，钻孔在煤层内煤巷预掘位置呈线性布置。采用这种布置方式，可以对岩巷超前掘进，为早日形成抽放钻场创造条件，打钻和煤层注水期间以岩层作为天然安全屏障，可保障施工期间安全，打钻和煤层注水等措施工程在岩层内进行，对煤巷施工没有影响。

3.2 水力冲孔效果

根据二1煤层煤质松软的特点，使用压力水很容易将钻孔扩大，从而快速形成瓦斯解析空间，见图2。使用压力水进行冲孔，在每个钻孔内冲出5～10矿车煤炭，冲孔后钻孔内瓦斯涌出量明显加大，1个钻孔瓦斯抽放量由原来的70～80m3／d猛增到920m3／d以上，效果十分明显，见图3。可以看出，采用水力冲孔措施，效果明显，抽放量衰减的速度较快。这是由于煤层流变作用使冲孔后形成的空洞在3～7d时间内由钻孔周边的煤体滑动充填，瓦斯释放的空间和通道再一次消失。通过对流变的煤层注水后，煤层达到了新的压力平衡，由于注水后煤层粘结，再次透孔时钻孔的保持时间就会延长，故抽放效果稳定。

在冲孔过程中，冲孔空间有瓦斯涌出的钻孔占总数的89%，有一部分钻孔在冲孔过程中无法形成空间，但该类钻孔对煤层起到充分的卸压作用。冲孔效果见表1和表2。

表1 21021上岩巷2号钻场钻孔参数

表2 21021下岩巷2号钻场钻孔参数

3.3 冲孔后注水再次透孔

由表1和表2可知，钻孔的有效抽放时间都很短，主要原因是冲孔后煤层的流变运动将钻孔堵死，瓦斯涌出通道被截断，需要再次冲孔。因此，在第一次冲孔完成后，在钻孔中穿入一根直径50 mm花管，花管长度大于煤层厚度（2m），利用钻机送入到钻孔终位置联孔抽放。使单孔的抽放时间由原来的3～5d延长到一个月以上。

在钻孔瓦斯流量小于0.0005m2／min时，说明钻孔中的花管眼已经被煤堵死，此时向煤层钻孔进行高压注水，注水压力控制在15～18MPa之间，经过16～36h时间，待临近注水孔30m处的钻孔开始渗水后注水停止。

3.4 施工方法

钻孔施工采用西安煤科院生产的MK－3全液压钻机，在底板岩层内采用风动冲击器钻进，进入煤层后改用合金钻头钻进，并使用压风排粉。钻孔穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接高压水进行冲孔，水压为0.5～1MPa。经过现场观察表明，冲孔深度应不超过3m，否则很难形成空间。冲出煤量以不超过10t为宜，否则，冲孔后很快就出现塌方现象，影响瓦斯抽放效果。

3.5 钻孔抽放半径的确定

在通过多组钻孔不同间距的对比发现，钻孔间距为15～20m时有较好的抽放效果，故在保证有30d的抽放时间的前提下，确定钻孔的抽放半径为15m。

3.6 瓦斯抽放效果

从2月17日开始时用水力冲孔后，抽放效果明显，1～3月份月抽放瓦斯量对比见图4。

图4 1～3月份月抽放瓦斯量对比

3.7 采空区抽放

工作面回采后，再次利用底板岩巷抽放钻孔对采空区进行瓦斯抽放。当回采工作面推过底板岩巷抽放钻孔8～12m以后，利用钻机对钻孔进行重新冲孔，使抽放钻孔与采空区形成联通空间，对采空区进行瓦斯抽放，此时，底板岩巷钻孔处在回采工作面上隅角深部8～12m处，此处正是采空区瓦斯的集聚区域，采空区瓦斯抽放示意图见图5。

从工作面上巷的实际抽放情况来看，效果十分明显，瓦斯抽放浓度在15%～20% 之间，工作面回风流的瓦斯平均浓度从0.6%降到0.3%左右，消除了工作面在放顶煤过程中出现的瞬间瓦斯超限现象。

图5 采空区瓦斯抽放示意图

4 结束语

通过在底板岩巷布置钻孔进行水力冲孔，增加了松软低透煤层瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤层实现低瓦斯施工。同时，利用抽放钻孔进行煤层注水和采空区抽放，实现了“一孔三用”，减少了施工工序。将在煤巷掘进工作面实施的措施工程提前移到底板岩巷中进行，不但保证了施工期间的安全，而且大幅提高了巷道的掘进速度，工作面回采时，利用抽放钻孔再次进行抽放，最大限度地发挥措施工程的作用。

从永华二矿12041进风巷和回风巷掘进情况看，煤层经过卸压预抽，瓦斯问题已基本不影响煤巷掘进，煤巷掘进速度明显加快，每月掘进度由不足40m提高到80～120m水平。回采工作面消除了瓦斯制约产能的现象，月生产能力由1.5万t增加到6.5万t，增加年经济效益近亿元。

［1］ 胡胜勇，周福宝，夏同强等.超前顶板卸压消突技术的试验与应用研究［J］.中国煤炭，2010（3）

［2］ 郭峰.低透气突出煤层水力压裂增透技术应用研究［J］.中国煤炭，2011（2）

Gas control of floor rock roadway in soft low permeability coal seam by hydraulic flushing

Cheng Dongquan1，Sun Fei2
（1.Antai College of Economics and Management，Shanghai Jiao Tong University，Changning，Shanghai 200052，China；2.Henan Yonghua Energy Co.，Ltd.，Luoyang，Henan 471924，China）

Aimed at the difficulties existed in the gas control during soft low permeability coal seam mining，the hydraulic flushing technology was proposed for the floor rock roadway in the soft low permeability coal seam，whose principle was described.Its application toⅡ1coal seam of Yanlong coalfield showed that the gas concentration was in the range of 15%～20%in the upward roadway at No.12041working face，while this value decreased from 0.6%to 0.3%in the return air at the working face.Moreover，the instant gas overrunning was avoided during top coal caving.

soft low permeability coal seam，floor rock roadway，hydraulic flushing，one borehole used for three purposes

TD712.62

A

程东全（1965－），男，河南永城人，博士后，教授级高工，主要研究方向为供应链管理和安全管理。

（责任编辑 梁子荣）