王念鑫
陕西陕煤韩城矿业有限公司调度指挥中心 陕西渭南 715400
摘要:本文主要以高压水射流钻扩一体化技术在桑树坪煤矿的应用作为重点进行阐述，测定了试验区域的瓦斯基本参数，介绍了高压水射流钻扩一体化装置及工艺，考察了扩孔钻孔抽采半径、钻孔瓦斯流量衰减系数、钻孔流量，并与普通穿层钻孔进行对比分析，得出采用高压水射流钻扩一体化技术在消突效果方面优于普通穿层预抽钻孔。
关键词:高压水射流；钻扩一体化；区域预抽；防突
陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿3#煤层透气性差，属较难抽采煤层，煤体松软，突出类型为地应力主导型，矿井采用底板穿层钻孔区域预抽3#煤层条带瓦斯掩护3#煤层巷道掘进，由于煤体松软、透气性差，区域预抽消突效果不理想。此次采用高压水射流钻扩一体化技术施工穿层钻孔，利用矿井抽采系统预抽3#煤层待掘巷道条带瓦斯，验证其在桑树坪煤矿单一煤层防治煤与瓦斯突出中的效果。
一、试验区瓦斯基本参数
通过对试验区3#煤层瓦斯基本参数测定得出：煤层坚固性系数0.11~0.36，较松软；瓦斯放散初速度8~22，瓦斯放散能力一般，部分构造松软煤区域煤层瓦斯放散能力较强。水分0.84~1.01%，灰分11.39~14.37%，挥发分14.42~15.25%，真密度1.40~1.45t/m3，视密度1.36~1.40t/m3，孔隙率2.86~3.50%，吸附常数a为20.5650~27.2686m3/g，b为0.9859~1.3535MPa–1。
瓦斯压力P与突出敏感指标K1值有良好的线性关系，如图1所示。对应瓦斯压力0.74 MPa的K1值为0.17~0.47 mL/g·min0.5，小于参考临界值0.5 mL/g·min0.5；掘进面实际考察测定K1值测定结果均较小，即使在部分有动力现象区域，测定的K1值也未超过参考临界值，瓦斯解吸特性较差，瓦斯参与突出的能力较弱。通过K1-P曲线看，采用K1值作为局部突出危险性预测指标敏感性不足。
煤层瓦斯含量为8.54~10.21m3/t，最大瓦斯压力为0.88MPa。煤层钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.028~0.068d–1，如图2所示。百米钻孔初始瓦斯涌出量0.0162~0.0306 m3/(min·hm)，抽采过程中瓦斯衰减较快，煤层可抽性属于较难抽采煤层。
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二、高压水射流钻扩一体化装置及工艺
钻孔施工设备采用重庆煤科院的WJ-I型高压水射流钻扩一体化装置，由钻扩一体化钻头、高压扩孔钻杆、高压旋转水尾、高压水泵组成。在石门揭煤或底板岩巷穿层钻孔中，利用钻机带动钻杆旋转，通过特殊扩孔钻头截齿切割或剥落大块煤；利用高压水射流对钻孔周围的煤体进行冲刷，达到扩孔的目的，可同时增大煤体暴露面积和钻孔径向卸压范围；煤体被水湿润后，弹性降低，煤体瓦斯的放散初速度降低，有利于防治煤与瓦斯突出。如图3所示。
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(一)用普通钻杆和钻头施工钻孔，达到预定深度。
(二)拔出钻杆和钻头，将钻扩一体化钻头和高压扩孔钻杆送入钻孔预定深度。
(三)连接高压旋转水尾、高压水泵。开动水泵，利用高压水对钻孔孔壁进行旋转切割。
(四)将钻杆沿钻孔轴向方向移动，进行扩孔作业。适当增加、减少扩孔钻杆数量，增加扩孔长度。
(五)扩孔长度达到设计要求时，关水并拔出高压扩孔钻杆和钻扩一体化钻头。
根据试验区的实际情况，水射流装备的扩孔喷嘴直径选用Ф3.0mm，泵流量选择200L/min，采用前进式扩孔方式。
三、3#煤层普通穿层钻孔及穿层扩孔钻孔抽采半径考察
3#煤层Φ94 mm普通穿层钻孔抽采负压在13kPa的条件下，抽采90d、120d、180d、240d、360d和极限抽采半径分别为：1.71m、1.88m、2.10m、2.22m、2.35m和2.42m。
3#煤层Φ94mm穿层扩孔钻孔在确保扩出煤屑率在3%以上，抽采负压在13 kPa的条件下，抽采90d、120d、180d、240d、360d和极限抽采半径分别为：2.23m、2.45m、2.73m、2.90m、3.06m和3.16m。
通过对穿层钻孔及穿层扩孔钻孔的抽采半径进行考察对比发现，扩孔后抽采半径有明显提高。
四、高压水射流扩孔效果考察
对试验区域扩孔钻孔和普通钻孔的相关参数进行测试，扩孔前钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0796~0.1020d-1，属较难抽采煤层，扩孔后钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0181~0.0392d-1，减小了1~5倍，属于可以抽采煤层，如图4所示。扩孔后钻孔流量由1.0855 L/min提高至2.3771 L/min，钻孔瓦斯涌出量提高1倍。得出：利用高压水射流扩孔，可使煤层的可抽性得到明显改善。
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五、穿层扩孔钻孔预抽效果分析
通过对高压水射流扩孔试验段效果检验，3#煤层残余瓦斯含量4.24~5.95 m3/t，平均为5.08 m3/t，小于临界值8m3/t，并且在检验钻孔施工的过程中未出现顶钻、夹钻、喷孔等现象，确定试验段区域无突出危险。同时，通过水力扩孔排出大量煤屑，增大了煤层内部自由空间，卸除煤层中的部分应力，消除突出的煤体弹性能，对控制桑树坪煤矿地应力主导型突出效果显著。
结束语
高压水射流钻扩一体化技术作为一项全国大范围普及的瓦斯抽采钻孔技术，能有效减小钻孔的瓦斯流量衰减系数、提高钻孔瓦斯涌出量，使煤层的可抽性得到明显改善；钻孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采量大幅提高，同时又提高了钻孔的抽采半径，缩短了瓦斯灾害治理时间。
通过试验得出，高压水射流钻扩一体化技术适用于桑树坪煤矿松软、地应力主导突出的3#煤层瓦斯灾害的预防和治理。对解决桑树坪煤矿3#煤层地应力主导型突出有明显的效果，能有效消除煤巷突出危险性、缩短瓦斯治理时间、减少防突成本，对无保护层开采条件下的煤巷掘进提供了一条明确有效的防突治理思路。