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[摘 要]水力冲孔消突技术是指利用岩石巷道作为安全屏障，通过向钻孔内注入高强度压力水，采用水力作用压裂、冲刷部分煤体，从而破坏煤层结构，产生裂隙，具有卸压增透效果，提高瓦斯抽采效果，最终达到煤层安全快速消突的目的。结合焦作矿区煤层瓦斯赋存特点，焦作中马村矿利用27021底板抽采岩巷施工穿层钻孔进行水力冲孔试验，消除了下分层煤的突出危险。
[关键词]水力冲孔消突技术 远程液压控制 应用
中图分类号：TD713 文献标识码：TD 文章编号：1009―914X（2013）34―0219―01
1 试验区概况
中马村矿27021工作面位于27采区西翼上部，北为东大巷，南邻27041工作面采空区，西界为25采区，东临27轨道上车场。该区地质构造简单，总体呈单斜构造，无较大构造发育，但该巷道所在区域内二1煤层分叉现象严重，上下分层间距不等，且呈现出非线性变化趋势，下分层煤厚0～2.70m，瓦斯含量为13.32m3/t。
2 水力冲孔试验
2.1 冲孔设备
本次水力冲孔试验设备为由河南理工大学研发、河南宇建矿业技术有限公司生产的抽采钻孔修复作业机。该钻机由液压柱以及底座固定，通过远程液压控制滚轮升降来调整作业高度，并借助远程液压控制来调整机头上下摆动的幅度，同时，通过远程液压控制操作台来控制缠绕在滚轮上的冲孔不锈钢管的伸缩。
作业机放置在距该巷目前停掘位置3 m处；远程液压控制操作台、油泵、乳化液泵放置该巷风门以外。由乳化液泵提供供水动力，最高工作压力为30 MPa；油泵、乳化液泵、操作台通过油管、水管等与修复作业机相连接。
2.2 钻孔布置
在该巷目前停掘位置布置A、B、C三组孔（见图1），正前为A组，左侧为B组，右侧为C组，每组8个孔（分两列，每列4个），共24个钻孔，钻孔孔径94mm，孔深14-47m，孔底间距5m。
2.3 试验过程
本次冲孔试验从2012年7月20日开始，有效冲孔时间为696 min。在整个试验过程中，冲孔前窝头瓦斯探头浓度最大为0.13 %，最小为0.10 %；冲孔过程中浓度最大为0.26 %；冲孔后浓度最大为0.15 %，最小为0.12 %。整个冲孔期间最大注水压力为28 Mpa，最小为18.3 Mpa。注水流量为120 L/min，整个冲孔过程中共注水186 m3。
在冲孔开始前，将喷头下放至煤岩交接处附近，然后开始冲孔，个别出现塌孔或堵孔现象的（如A3孔、B2孔），则下放至见煤点附近开始冲孔。冲孔过程中，冲出的煤粉或煤块随水从孔内流出，少数钻孔会出现因为孔内憋压而从孔内喷出的现象（如B4、B5孔）。（喷孔情况如图5所示）整个冲孔过程中出煤多为小颗粒状或粉状，有少量的块状，最大煤块尺寸为150 mm×90 mm×50 mm，累计出煤量共20 t。
2.4 试验效果及分析
在冲孔过程中，由于大量的瓦斯和煤体的排出会在钻孔底部形成一定的孔洞，使得在钻孔周围形成一定的卸压区域；在卸压区域内，煤体裂隙进一步发育；根据瓦斯径向流动理论，瓦斯将由压力大的地方向压力小的地方运移，因此，处在影响区域范围内的钻孔瓦斯浓度增大。
以A7孔为例，整个冲孔过程中，冲出煤量共有3矿车。冲孔后，A6孔、A8孔的瓦斯浓度上升，且A6孔的浓度上升幅度较大；B7孔的瓦斯浓度有1 %的降幅，C7孔瓦斯浓度上升；B6、B8孔浓度上升，C6、C8孔浓度保持不变；说明冲孔影响范围应该大于5 m；B5、C5孔浓度下降，说明影响范围小于10m。根据冲孔前后A7孔周围钻孔的瓦斯浓度变化可以判断出钻孔冲孔影响范围应该在5～10 m。
A 7孔的出煤量有3矿车，即3 t，根据煤体密度以及煤孔段长度可以计算出冲孔后煤孔段的孔径大小。取煤的密度为1.5 t∕m3，煤孔段长度为3 m，把冲孔后的形状近似按圆柱来计算，相当于把直径为94 mm的钻孔扩成直径为926 mm的孔洞。
2.5 风排瓦斯量计算
根据上述计算可知钻孔控制区域内的煤炭储量，再根据检测到的煤层瓦斯含量，可以计算出煤层瓦斯储量。钻孔控制区域内的煤炭含量为614.25 t，煤层瓦斯含量为13.32 m3∕t，所以冲孔前钻孔控制区域内的瓦斯储量为8181.81 m3。
冲孔前，窝头瓦斯探头浓度在0.11 %上下波动，但波动范围不大，取其值为0.11%，由此可计算得冲孔前每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.11%=0.070 m3∕s。
冲孔过程中，窝头瓦斯探头浓度在0.11% ～0.15%之间波动，偶尔达到最大值0.26%，取其平均值为0.13%，由此可计算得冲孔过程中每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.13%=0.083 m3∕s。
冲孔后，窝头瓦斯探头浓度在0.10%～0.13%之间上下波动，取其值为0.12%，由此可计算得冲孔后每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.12%=0.077 m3∕s。
冲孔过程中比冲孔前每秒的风排瓦斯量要大0.013 m3∕s。
冲孔期间风排瓦斯总量为每秒风排瓦斯量0.083 m3∕s ×冲孔时间41760 s=3466.08 m3。冲孔后钻孔控制区域内煤层瓦斯含量为7.69 m3∕t，小于8 m3∕t，冲孔期间风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%。
2.6 揭煤情况
经过水力冲孔试验，该处的煤层瓦斯含量由试验前的13.32 m3∕t下降至试验后的7.69 m3∕t，降幅明显。冲孔期间风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%，效果显著，为该处顺利揭煤创造了有利条件。
根据掘进期间不同通尺处的敏感指标数值（表1）可以看出，△h（钻屑瓦斯解吸指标）的最大值为137.2pa，S（钻屑量）的最大值为2.4 kg/m，q（钻孔瓦斯涌出初速度）的最大值为3.48 L/min，均小于各自的临界值。因此，经过水力冲孔作业，消除了该处煤层的突出危险性。
3 试验结论
在水力冲孔作业期间，随水排出的煤炭量占到钻孔控制区域内煤炭量的3.26 %，风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%。煤层瓦斯含量由冲孔前的13.32 m3∕t下降至冲孔后的7.69 m3∕t，且冲孔后煤层的各项敏感指标数值均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中给出的各敏感指标的临界值，以上数据均说明该处煤层消除了突出危险性，同时也说明了用水力冲孔技术来对煤层消突是一种简单、安全、省时省力、行之有效的方法。
4 试验得到启示
（1）对打钻的整个过程出现的情况做认真详实的记录，确保钻孔参数可靠。
（2）冲孔顺序应综合煤层的倾向、倾角、钻孔的参数、冲孔过程中的实际情况等多方面的信息来确定。应该充分考虑钻孔的相对位置关系以及冲孔过程中是否会发生塌孔现象等因素。
（3）由于煤层的倾角、煤厚、鉆孔的倾角等各方面因素的影响，使得各个钻孔的煤孔段长短不一，从而导致每个钻孔的出煤量将会不尽相同。在冲孔的过程中，应该根据煤孔段的长短不一合理的分配冲孔时间，使钻孔尽可能多的出煤，确保冲孔效果。
（4）水射流能破煤的关键在于射流压力要大于煤的抗压强度，而煤的抗压强度与煤的坚固性系数f有关。在水力冲孔试验前，弄清试验区域内的煤体类型、煤的坚固性系数等参数，以此来计算注水压力；再考虑摩阻以及富裕系数确定泵注压力。
（5）在射流压力大于煤的抗压强度的前提下，注射流量越大，出煤量越多，但并不是流量越大越好；注射流量越大，出煤越多，埋管现象越容易发生。冲孔试验中，在确保射流压力足够的前提下，需要根据钻孔的排渣能力来计算注水量，防止因注水量过大使得返渣量超过钻孔返渣能力而造成拥堵近而埋管。
[关键词]水力冲孔消突技术 远程液压控制 应用
中图分类号：TD713 文献标识码：TD 文章编号：1009―914X（2013）34―0219―01
1 试验区概况
中马村矿27021工作面位于27采区西翼上部，北为东大巷，南邻27041工作面采空区，西界为25采区，东临27轨道上车场。该区地质构造简单，总体呈单斜构造，无较大构造发育，但该巷道所在区域内二1煤层分叉现象严重，上下分层间距不等，且呈现出非线性变化趋势，下分层煤厚0～2.70m，瓦斯含量为13.32m3/t。
2 水力冲孔试验
2.1 冲孔设备
本次水力冲孔试验设备为由河南理工大学研发、河南宇建矿业技术有限公司生产的抽采钻孔修复作业机。该钻机由液压柱以及底座固定，通过远程液压控制滚轮升降来调整作业高度，并借助远程液压控制来调整机头上下摆动的幅度，同时，通过远程液压控制操作台来控制缠绕在滚轮上的冲孔不锈钢管的伸缩。
作业机放置在距该巷目前停掘位置3 m处；远程液压控制操作台、油泵、乳化液泵放置该巷风门以外。由乳化液泵提供供水动力，最高工作压力为30 MPa；油泵、乳化液泵、操作台通过油管、水管等与修复作业机相连接。
2.2 钻孔布置
在该巷目前停掘位置布置A、B、C三组孔（见图1），正前为A组，左侧为B组，右侧为C组，每组8个孔（分两列，每列4个），共24个钻孔，钻孔孔径94mm，孔深14-47m，孔底间距5m。
2.3 试验过程
本次冲孔试验从2012年7月20日开始，有效冲孔时间为696 min。在整个试验过程中，冲孔前窝头瓦斯探头浓度最大为0.13 %，最小为0.10 %；冲孔过程中浓度最大为0.26 %；冲孔后浓度最大为0.15 %，最小为0.12 %。整个冲孔期间最大注水压力为28 Mpa，最小为18.3 Mpa。注水流量为120 L/min，整个冲孔过程中共注水186 m3。
在冲孔开始前，将喷头下放至煤岩交接处附近，然后开始冲孔，个别出现塌孔或堵孔现象的（如A3孔、B2孔），则下放至见煤点附近开始冲孔。冲孔过程中，冲出的煤粉或煤块随水从孔内流出，少数钻孔会出现因为孔内憋压而从孔内喷出的现象（如B4、B5孔）。（喷孔情况如图5所示）整个冲孔过程中出煤多为小颗粒状或粉状，有少量的块状，最大煤块尺寸为150 mm×90 mm×50 mm，累计出煤量共20 t。
2.4 试验效果及分析
在冲孔过程中，由于大量的瓦斯和煤体的排出会在钻孔底部形成一定的孔洞，使得在钻孔周围形成一定的卸压区域；在卸压区域内，煤体裂隙进一步发育；根据瓦斯径向流动理论，瓦斯将由压力大的地方向压力小的地方运移，因此，处在影响区域范围内的钻孔瓦斯浓度增大。
以A7孔为例，整个冲孔过程中，冲出煤量共有3矿车。冲孔后，A6孔、A8孔的瓦斯浓度上升，且A6孔的浓度上升幅度较大；B7孔的瓦斯浓度有1 %的降幅，C7孔瓦斯浓度上升；B6、B8孔浓度上升，C6、C8孔浓度保持不变；说明冲孔影响范围应该大于5 m；B5、C5孔浓度下降，说明影响范围小于10m。根据冲孔前后A7孔周围钻孔的瓦斯浓度变化可以判断出钻孔冲孔影响范围应该在5～10 m。
A 7孔的出煤量有3矿车，即3 t，根据煤体密度以及煤孔段长度可以计算出冲孔后煤孔段的孔径大小。取煤的密度为1.5 t∕m3，煤孔段长度为3 m，把冲孔后的形状近似按圆柱来计算，相当于把直径为94 mm的钻孔扩成直径为926 mm的孔洞。
2.5 风排瓦斯量计算
根据上述计算可知钻孔控制区域内的煤炭储量，再根据检测到的煤层瓦斯含量，可以计算出煤层瓦斯储量。钻孔控制区域内的煤炭含量为614.25 t，煤层瓦斯含量为13.32 m3∕t，所以冲孔前钻孔控制区域内的瓦斯储量为8181.81 m3。
冲孔前，窝头瓦斯探头浓度在0.11 %上下波动，但波动范围不大，取其值为0.11%，由此可计算得冲孔前每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.11%=0.070 m3∕s。
冲孔过程中，窝头瓦斯探头浓度在0.11% ～0.15%之间波动，偶尔达到最大值0.26%，取其平均值为0.13%，由此可计算得冲孔过程中每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.13%=0.083 m3∕s。
冲孔后，窝头瓦斯探头浓度在0.10%～0.13%之间上下波动，取其值为0.12%，由此可计算得冲孔后每秒风排瓦斯量为巷道断面12.81㎡×巷道风速5 m∕s×0.12%=0.077 m3∕s。
冲孔过程中比冲孔前每秒的风排瓦斯量要大0.013 m3∕s。
冲孔期间风排瓦斯总量为每秒风排瓦斯量0.083 m3∕s ×冲孔时间41760 s=3466.08 m3。冲孔后钻孔控制区域内煤层瓦斯含量为7.69 m3∕t，小于8 m3∕t，冲孔期间风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%。
2.6 揭煤情况
经过水力冲孔试验，该处的煤层瓦斯含量由试验前的13.32 m3∕t下降至试验后的7.69 m3∕t，降幅明显。冲孔期间风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%，效果显著，为该处顺利揭煤创造了有利条件。
根据掘进期间不同通尺处的敏感指标数值（表1）可以看出，△h（钻屑瓦斯解吸指标）的最大值为137.2pa，S（钻屑量）的最大值为2.4 kg/m，q（钻孔瓦斯涌出初速度）的最大值为3.48 L/min，均小于各自的临界值。因此，经过水力冲孔作业，消除了该处煤层的突出危险性。
3 试验结论
在水力冲孔作业期间，随水排出的煤炭量占到钻孔控制区域内煤炭量的3.26 %，风排瓦斯量占煤层瓦斯含量的百分比为42.4%。煤层瓦斯含量由冲孔前的13.32 m3∕t下降至冲孔后的7.69 m3∕t，且冲孔后煤层的各项敏感指标数值均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中给出的各敏感指标的临界值，以上数据均说明该处煤层消除了突出危险性，同时也说明了用水力冲孔技术来对煤层消突是一种简单、安全、省时省力、行之有效的方法。
4 试验得到启示
（1）对打钻的整个过程出现的情况做认真详实的记录，确保钻孔参数可靠。
（2）冲孔顺序应综合煤层的倾向、倾角、钻孔的参数、冲孔过程中的实际情况等多方面的信息来确定。应该充分考虑钻孔的相对位置关系以及冲孔过程中是否会发生塌孔现象等因素。
（3）由于煤层的倾角、煤厚、鉆孔的倾角等各方面因素的影响，使得各个钻孔的煤孔段长短不一，从而导致每个钻孔的出煤量将会不尽相同。在冲孔的过程中，应该根据煤孔段的长短不一合理的分配冲孔时间，使钻孔尽可能多的出煤，确保冲孔效果。
（4）水射流能破煤的关键在于射流压力要大于煤的抗压强度，而煤的抗压强度与煤的坚固性系数f有关。在水力冲孔试验前，弄清试验区域内的煤体类型、煤的坚固性系数等参数，以此来计算注水压力；再考虑摩阻以及富裕系数确定泵注压力。
（5）在射流压力大于煤的抗压强度的前提下，注射流量越大，出煤量越多，但并不是流量越大越好；注射流量越大，出煤越多，埋管现象越容易发生。冲孔试验中，在确保射流压力足够的前提下，需要根据钻孔的排渣能力来计算注水量，防止因注水量过大使得返渣量超过钻孔返渣能力而造成拥堵近而埋管。