水力冲孔工艺实践及探索

水力冲孔工艺实践及探索陈军曾春贵童文文摘要：为提高煤层透气性、确保均匀卸压，低透气性、强突出煤层，在抽采钻孔实施后，配合施工水力冲孔能够有效的扩大抽采钻孔有效半径，减少钻孔量、缩短揭煤工期。关键词：水力冲孔卸压有效半径一、概况11224底抽巷南一联巷为11016工作面出煤系统，施工前方将揭4煤，现工作面距4-1煤层底板最小法距为6米。巷道净断面16.32m2，16°上山施工，方位73°，揭煤标高-427.2m。4-1煤平均厚度4.0m，4-2煤约0.8m，4-1与4-2之间约有1m厚的夹矸；4煤为黑色粉末状，少量块状，半暗淡型煤。煤层走向120～130°，倾角8～10°。实测4煤瓦斯压力为2.5MPa、△P=13、f=0.33，计算K=39.39、D=12.72、瓦斯含量为8.49m3/t。设计181个钻孔（其中11个水办冲孔钻孔），孔径113mm，钻孔控制范围为巷道轮廓线外左、右侧各15米、上方10米、下方8米。钻孔控制范围内瓦斯储量=长×宽×高×容重×瓦斯含量=62.6×34×4.8×1.4×8.49=121431.2m3。工作面采用两台2×15kW局扇供风，风量为700m3/min；主、备局扇均为专供电源供电，两路直径为800mm风筒送风。二、打钻、抽采情况采用两台ZDY-1900S型钻机同时施工，配φ63.5×1000mm麻花钻杆（外径84mm），直径113mm复合片钻头。实际施工时间55天，共施工钻孔170个，总钻孔量7744米，钻机月台效2112米。从第一个钻孔合茬抽采至2009年2月6日170个钻孔完工，共计抽采瓦斯6.7175万m3，预抽率55.4%。（后期施工的58个钻孔全程下护孔花管，提高了抽采量。下花管前平均每天抽采量840立方米；下花管后平均每天抽采量1097立方米。）三、水力冲孔简介1、冲孔钻孔设计共设计水力冲孔钻孔11个，其中迎头4个（4、5、6、8#），5#孔沿巷道方位布置，控制巷道轮廓线边缘，4、6、8#孔控制巷道轮廓线下方4m以内、两侧2.5m以内；1号钻场2个孔（3、1#），2号钻场2个孔（9、10#），分别控制巷道轮廓线左、右侧2.5m、8m；3号钻场1个孔（2#），控制巷道轮廓线上方3m、左侧2.5m；4号钻场2个孔（7、11#），其中7#孔控制巷道轮廓线上方3m、右侧2.5m，11#孔控制到巷道轮廓线上方8m、右侧8m。钻孔布置见下图：D29-441.9D35-441.9法距2米位置冲1冲2冲3冲4冲5冲6冲7冲8冲9冲10冲11两侧15米轮廓线两侧15米轮廓线1号3号4号2号2、冲孔设备钻机：ZDY-1900S型钻机乳化液泵：采用RB125/31.5型乳化液泵，工作压力31.5MPa,流量125L/min。连接管路使用1寸20MPa的高压胶管。泵站设在-410m车场，距离冲孔点的最远距离47.5m。RB125/31.5型乳化液泵钻头与钻杆：特制冲孔钻杆利用一根φ63.5×1500mm光钻杆加工，先将前端焊实，同时焊上钻芽，以利于钻进；再在钻杆上钻6个8mm眼，前面2个向下斜钻，冲孔时出水向前，中间2个垂直钻眼，出水向两帮，后面2个向上斜钻，出水向后。特制冲孔钻杆3、冲孔钻孔穿煤后，退出钻杆，将钻头更换为特制冲孔钻杆，配合φ63.5×1500mm光钻杆，重新下到煤段，通知泵站开泵冲孔，泵站压力控制在20MPa以下，打开钻机附近的控制阀门，保持匀速钻进冲孔，以便排出煤屑，从见煤点向前2米开始，每2米一个点分段冲孔，直至止煤点。全煤段冲完后，边退钻边冲孔，再钻进，退钻，如此循环直至冲不出煤为止。工艺流程主要分为四个步骤即成孔、冲孔、抽采、效果验证。具体如图所示。水力冲孔的工艺流程图4、冲出煤量钻孔施工完毕，开始施工水力冲孔钻孔，该处共设计了11个水力冲孔钻孔，从2月7日开始施工，现已施工10个，冲出煤量137.25吨，平均每个孔13.725吨。单孔煤量统计表孔号冲孔时间冲出煤量（吨）每米冲出煤量（吨）孔号冲孔时间冲出煤量（吨）每米冲出煤量（吨）冲12.10夜—2.11早13.51.04冲62.14夜—2.15早121.71冲22.16早—2.17早13.51.93冲72.6中—2.9早16.52.06冲32.12中—2.13中151.5冲92.10中—2.12中10.50.53冲42.18夜—2.18早7.50.5冲102.19夜—2.19早121.41冲52.20早—2.21夜9.751.39冲112.20夜—2.20早275.4水力冲孔成孔冲孔抽采效果验证设计施工设备工序合茬封孔瓦斯突出指标管理计量单孔煤量统计图051015202530冲1冲2冲3冲4冲5冲6冲7冲9冲10冲11煤量（吨）单孔煤量每米煤量5、冲孔有效半径考察通过4号钻场11号孔冲孔，考察179号抽采钻孔浓度、流量。11号孔、179号孔布置见下图：4-14-22mD29D35N73°-420-430-440-415-425-435-410-445下方8米轮廓线上方10米轮廓线7m冲孔前后，179号考察孔浓度、流量变化曲线见下图：179#冲孔前后抽采浓度变化趋势0510152025301月10日早1月15日早1月20日夜1月30日夜2月5日夜2月7日中2月8日中2月9日中2月10日中2月11日中2月12日中2月13日中2月14日中2月15日早2月16日中浓度（%）冲孔前冲孔后179#冲孔前后抽采纯量变化趋势0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1201月10日早1月15日早1月20日夜1月30日夜2月5日夜2月7日中2月8日中2月9日中2月10日中2月11日中2月12日中2月13日中2月14日中2月15日早2月16日中纯量（m3/min）冲孔前冲孔后11号孔与179号孔平距7米，平均抽采浓度冲孔前17%，冲孔后22.4%，提高了1.32倍；平均抽采纯量冲孔前0.028m3/min，冲孔后0.073m3/min，提高了2.6倍。根据179号孔浓度、流量变化情况，说明该处水力冲孔有效影响半径已达7米。6、冲孔效果考察1）冲孔期间巷道瓦斯变化情况正常打钻期间回风流瓦斯浓度0.14%左右，冲孔期间为0.5%左右，瓦斯涌出量较平时增大了3.6倍。2）冲孔前、后抽采量变化情况冲孔期间，我们重点对该处抽采情况进行了考察。平均抽采浓度冲孔前5.9%,冲孔后6.8%,提高了1.2倍；平均抽采纯量冲孔前0.076m3/min,冲孔后0.98m3/min,提高了1.3倍。具体见下图：11224底抽巷南一联巷冲孔前后抽采纯量变化趋势0.000.200.400.600.801.001.201.402月1日2月4日2月7日2月10日2月13日2月16日2月19日纯量（m3/min）冲孔前冲孔后3）冲孔前后单孔抽采负压变化情况：对2号钻场考察了28个钻孔在冲孔前、后的负压变化情况，单孔平均负压由冲孔前的0.048MPa降为冲孔后的0.036MPa，下降了1.3倍，说明煤体透气性增加了。具体见下图：11224底抽巷南一联巷冲孔前后抽采浓度变化趋势0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.02月1日2月4日2月7日2月10日2月13日2月16日2月19日浓度（%）冲孔后冲孔前2号钻场冲孔前后单孔负压变化图00.010.020.030.040.050.06负压（MPa）冲孔前冲孔后实施水力冲孔后，煤层透气性提高，钻孔的抽采浓度、抽采量均有增长，效果还是很明显的。由于时间短，数据收集较少，待揭开4煤后，将通过效果检验指标及煤层各项防突指标的对比进一步验证。7、水力冲孔注意事项1）影响冲孔效果要素：水量、水压、冲孔钻头孔眼设计（包括孔眼个数、直径、角度等）、钻杆直径与孔径差、煤的坚固性系数等。供水量不变时，孔眼个数越少、孔眼直径越小，水压越大，冲落煤量越多，如果钻杆直径与孔径差过小，容易堵塞钻孔，造成喷孔或埋钻；反之，供水量不变时，孔眼个数越多、孔眼直径越大，水压越小，冲落煤量越少，甚至冲不出煤量。煤越硬，需要的水量越大、水压越高、钻杆直径与孔径差越大。2）冲孔时应分段冲，均匀钻进，大量出煤时，应来回往返钻进。3）冲孔钻头应与钻杆同直径，这样不易埋钻。4）冲孔过程中，根据钻孔瓦斯涌出情况及时调整钻进速度，防止瓦斯超限；喷孔严重时，应使用防喷装置，防止喷孔造成高值瓦斯超限。5）冲孔过程中、撤卸钻杆期间，严禁人员正对孔口，防止喷孔伤人。6）高压胶管的连接部位必须牢固可靠，防止脱扣伤人。四、体会与认识1、为提高煤层透气性、确保均匀卸压，低透气性、强突出煤层，在抽采钻孔实施后，配合水力冲孔是完全有必要的。2、目前，集团公司正在与有资质的科研单位合作研究水力化措施，可以选定瓦斯压力在0.74MPa～2MPa的揭煤地点考察单以水力冲孔作为消突措施的消突效果。从钻孔设计、冲孔设备、冲孔参数到效检指标制定出水力冲孔标准。3、水力冲孔扩大了有效抽采半径，考察抽采影响半径已达7米。4、水力冲孔消突试验成功将大大减少钻孔量、缩短揭煤工期。作者简介：陈军（1980-），男，安徽淮南人，1999年原淮南矿务局职工大学毕业。现任淮南矿业集团潘二煤矿抽排队队长。曾春贵（1985-），男，江西抚州人，2007年黑龙江科技学院毕业。现任淮南矿业集团潘二煤矿抽排队技术主管。童文文（1985-），男，安徽宣城人，2007年安徽理工大学毕业。现任淮南矿业集团潘二煤矿抽排队助理工程师。