松軟突出煤層順層鉆孔篩管護(hù)孔高效抽采技術(shù)研究

何開祥

摘 要：在重慶松藻礦區(qū)開采的保護(hù)層中，均有煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。在瓦斯治理時(shí)，采取的技術(shù)措施是通過本層抽采鉆孔，但礦區(qū)內(nèi)的多數(shù)保護(hù)層煤層薄且松軟、硬度小、透氣差、瓦斯含量高，在本層鉆孔抽采治理瓦斯時(shí)，鉆孔因煤層松軟，極易發(fā)生鉆孔塌孔，造成鉆孔堵塞，瓦斯抽采效果差。2013年，在松藻礦區(qū)的渝陽(yáng)煤礦的N3702采煤工作面嘗試采取了埋設(shè)篩管護(hù)孔這一措施來(lái)抽采、治理瓦斯，取得了較好的抽采效果。

關(guān)鍵詞：煤礦；松軟煤層；瓦斯抽采；抽采技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.017

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

渝陽(yáng)煤礦地處重慶市綦江縣安穩(wěn)鎮(zhèn)羅天村，北距重慶市區(qū)174 km，距綦江縣城83 km，位于渝黔鐵路和渝黔高速公路旁，交通較為方便。礦井位于松藻礦區(qū)中部，井田東以兩河口向斜軸線與逢春煤礦和同華煤礦分界，南以9#勘探線和羊叉河與逢春和石壕煤礦分界，西以羊叉河與打通一礦分界，北以-200 m標(biāo)高為開采技術(shù)邊界。井田大約呈三角形，面積27.34 km2。礦井于1966年開始建設(shè)，1971投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.5×105 t/年，1983年達(dá)產(chǎn)，1990年進(jìn)行4.5×105～9.0×105 t/年擴(kuò)建，2011年礦井核定生產(chǎn)能力9.0×105 t/年。

1.2 通風(fēng)、瓦斯情況

礦井有金雞巖、陽(yáng)地灣和合掌坡三個(gè)回風(fēng)井，采用分區(qū)混合抽出式通風(fēng)，礦井總回風(fēng)量為24 229 m3/min。根據(jù)2013年瓦斯參數(shù)測(cè)定報(bào)告，礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為74.18 m3/min，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為136.41 m3/min，其中，抽采瓦斯量為82.78 m3/min，占礦井絕對(duì)瓦斯涌出量的60.68%.

礦井有三層煤可采，自上而下依次為M7，M8和M11煤層，其中M7和M11煤層為薄煤層，M8煤層為中厚煤層，是礦井的主采層。北二盤區(qū)自投產(chǎn)以來(lái)，共發(fā)生煤與瓦斯突出事故30次，其中，M8煤層5次，最大一次（M8煤層）突出煤量695 t，瓦斯量4.1×104 m3。

1.3 瓦斯抽采方法

礦井采用順層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采的綜合瓦斯抽采方法。鄰近層鉆孔抽采包括掘進(jìn)前穿層條帶預(yù)抽和回采前穿層網(wǎng)格預(yù)抽，鉆孔在底板茅口瓦斯巷內(nèi)施工（開采M11下保護(hù)層時(shí)，在頂板高位瓦斯巷內(nèi)施工），呈扇形布置；順層抽采鉆孔是回采前在運(yùn)輸、回風(fēng)巷向工作面內(nèi)施工，平行于工作面鉆孔。鉆孔深根據(jù)工作面面寬確定，目前已消滅了順層鉆孔抽采的“空白區(qū)”。

1.4 防治突出措施

渝陽(yáng)煤礦防治煤與瓦斯突出的區(qū)域防突措施是開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯?，F(xiàn)開采煤層有M7，M8和M11煤層，M7，M8和M11煤層均為突出危險(xiǎn)煤層，M11，M7煤層作為保護(hù)層首先開采，M8層作為被保護(hù)層開采。

M11煤層采取順層掘進(jìn)條帶預(yù)抽、回采順層、上鄰近層網(wǎng)格預(yù)抽、超前排放鉆孔、預(yù)測(cè)兼排放鉆孔、煤層中壓注水等局部防突措施防治煤與瓦斯突出；M7煤層采取穿層掘進(jìn)條帶預(yù)抽、回采順層、穿層網(wǎng)格預(yù)抽、超前排放鉆孔、預(yù)測(cè)兼排放鉆孔、高壓水力割逢、高壓水力壓裂、煤層中壓注水等局部防突措施防治煤與瓦斯突出；M8煤層主要采取掘進(jìn)條帶預(yù)抽、回采順層、穿層網(wǎng)格預(yù)抽、預(yù)測(cè)兼排放鉆孔等局部防突措施防治煤與瓦斯突出。

2 研究目的和目標(biāo)

2.1 研究目的

渝陽(yáng)煤礦進(jìn)入北三區(qū)深部水平后，M7煤層松軟，瓦斯含量和瓦斯壓力增大，透氣性系數(shù)降低，煤層松軟，瓦斯抽采效果差，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。為確保礦井安全生產(chǎn)和水平正常接替，要求提高順層鉆孔的抽采效果，但北三區(qū)深部水平M7煤層順層鉆孔在成孔后易發(fā)生孔壁坍塌，接抽后易發(fā)生鉆孔垮孔，造成抽采通道堵塞，從而大大降低順層鉆孔的抽采效果。對(duì)此，渝陽(yáng)煤礦將在N3702運(yùn)輸巷的順層鉆孔試驗(yàn)全程下篩管技術(shù)。

本項(xiàng)目的目的是解決順層鉆孔成孔后垮塌堵塞瓦斯抽放通道的難題，減少順層鉆孔垮孔率，改善上保護(hù)層工作面的抽采效果。

2.2 研究目標(biāo)

研究目標(biāo)為：①護(hù)孔率達(dá)到90%以上，鉆孔抽采濃度在30%以上的抽采時(shí)間達(dá)到3個(gè)月以上；②順層鉆孔平均單孔濃度達(dá)到30%以上；③縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間達(dá)到30%以上。

3 實(shí)施過程及效果

3.1 實(shí)施地點(diǎn)概況

N3702工作面井下位于北三區(qū)，南面為北二區(qū)，北面為礦井井田邊界，鄰近小漁沱煤礦。四周未布置工作面，地表位于魚池灣、三角壩、杉樹扁、黑洞子一帶，高程在596～778 m之間，M7煤層埋深在515～932 m之間。M7 煤層為單斜煤層，傾向?yàn)楸逼?°～10°，傾角為8°～15°，煤層穩(wěn)定，平均煤厚0.95 m，原始瓦斯含量為17.58 m3/t，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性較大。

N3702運(yùn)輸巷（下）施工的順層鉆孔M7煤層標(biāo)高為-178～223 m，施工順層鉆孔前對(duì)M7煤層的原始煤體實(shí)施煤層中壓注水，其中，距離N3702切割巷135 m范圍內(nèi)的鉆孔未實(shí)施煤層中壓注水，鉆孔間距為3 m，剩余范圍內(nèi)鉆孔間距為5 m。N3702運(yùn)輸巷（下）順層鉆孔工程量為352個(gè)，其中，東幫順層鉆孔工程量為127個(gè)，施工傾角為2°～3°；西幫順層鉆孔工程量為125個(gè)，施工傾角為-3°～-2°，鉆孔深度均為85 m。

3.2 實(shí)施過程

3.2.1 鉆孔施工關(guān)鍵工藝

N3702運(yùn)輸巷（下）順層鉆孔采用ZYW-4000型液壓鉆機(jī)施鉆，鉆機(jī)性能參數(shù)如表1所示。配套鉆桿為淺葉片大內(nèi)徑螺

旋鉆桿，鉆桿規(guī)格為外徑Φ73 mm，內(nèi)徑Φ42 mm，長(zhǎng)度800 mm，實(shí)圖如圖1所示。配套鉆頭為開閉式PDC拍門鉆頭，鉆頭直徑為Φ94 mm，實(shí)圖如圖2所示。施鉆時(shí)，采用中風(fēng)壓濕式壓氣引射孔口除塵排渣工藝鉆進(jìn)，降低鉆機(jī)回風(fēng)側(cè)粉塵濃度，工作原理如圖3所示。

3.2.2 篩管下全套關(guān)鍵工藝

順層鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，停止鉆進(jìn)，并拆卸3～5根鉆桿，將ZYW-4000型液壓鉆機(jī)動(dòng)力頭退至機(jī)架底部；然后將孔底倒鉤固定裝置固定在篩管頂部，用人工將篩管送入淺葉片螺旋鉆桿內(nèi)部，頂開開閉式PDC拍門鉆頭的橫梁，將篩管送入鉆孔底部，并向后拉動(dòng)，確保固定裝置將篩管固定在順層鉆孔的底部，防止拆卸鉆過程中篩管被帶出；最后在順層鉆孔孔口處鋸掉多余的篩管，拆卸出孔內(nèi)剩余的鉆桿。下全套篩管采用的整體式篩管外徑為Φ32 mm，內(nèi)徑為Φ25 mm，篩眼孔徑為Φ3～5 mm，孔底固定裝置翼片展開后最大尺寸達(dá)Φ140 mm，實(shí)圖如圖4、圖5所示。

3.2.3 鉆孔封孔關(guān)鍵工藝

N3702工作面順層鉆孔封孔深度為20 m，封孔管采用Φ50 mm的膠管，采用多次封孔工藝，即化學(xué)材料封孔3段，水泥砂漿封孔1段，其封孔工藝為：①將Φ50 mm膠管鋸為20 m/根，在距離膠管頂端2 m處捆綁第一段袋裝化學(xué)材料，然后在下方1 m處和2 m處分別捆綁第二段和第三段袋裝化學(xué)材料。每段袋裝化學(xué)材料用量為3包（袋裝化學(xué)材料為500 g/包），并將3袋化學(xué)材料成“品”字狀捆綁在Φ50 mm膠管上。為防止化學(xué)材料膨脹后堵死膠管，在第一段化學(xué)材料捆綁處前端0.5 m捆綁少量棉紗。②袋裝化學(xué)材料捆綁結(jié)束后，將下全套的Φ32 mm篩管套入接抽的Φ50 mm膠管內(nèi)部，同時(shí)抽出袋裝化學(xué)材料中間的隔斷裝置。將化學(xué)材料搖拌均勻后，人工將Φ50 mm膠管送入鉆孔內(nèi)，并在孔口預(yù)留0.2～0.3 m，以便接抽。③由于袋裝化學(xué)材料膨脹后易發(fā)生變形和收縮，造成順層鉆孔漏氣，因此對(duì)鉆孔孔口段采用水泥砂漿封堵。具體步驟是首先送入1根Φ32 mm膠管到膨脹后的化學(xué)材料底端后，回拉0.1～0.2 m（長(zhǎng)的一根），再送入1根Φ32 mm膠管到順層鉆孔內(nèi)0.5～1 m處（短的一根），順層鉆孔孔口處采用棉紗或者化學(xué)材料封堵。注漿時(shí)，正傾角順層鉆孔采用短的一根注漿，長(zhǎng)的一根返漿，負(fù)傾角順層鉆孔采用長(zhǎng)的一根注漿，短的一根返漿。注漿所用的水泥砂漿的材料為普通水泥和石膏，質(zhì)量比為8∶1.④封孔結(jié)束后，48 h內(nèi)形成接抽，封孔過程如圖6所示，N2706工作面順層鉆孔封孔過程如圖7所示。

3.2.4 鉆孔施工情況

截至10月底，在N3702運(yùn)輸巷（下）累計(jì)施工101個(gè)N3702工作面順層鉆孔，其中，東幫施工51個(gè)孔，有6個(gè)孔位于煤層中壓注水影響范圍內(nèi)；西幫施工50個(gè)孔，有4個(gè)孔位于煤層中壓注水影響范圍內(nèi)，平均孔深為85 m，最大鉆進(jìn)深度為150 m，竣工圖如圖8所示。

圖8 N3702運(yùn)輸巷（下）順層鉆孔竣工圖

3.3 效果分析

3.3.1 鉆孔抽采濃度分析

N3702工作面順層鉆孔形成接抽后測(cè)定鉆孔單孔濃度，單孔初抽抽采濃度如表2、表3所示。為便于對(duì)比，將煤層相同的沒有采用護(hù)孔抽采技術(shù)的N2706采煤工作斜面與采用了抽采鉆孔技術(shù)的抽采效果進(jìn)行比較。N2706工作面1#～50#順層鉆孔初抽濃度如表4所示。

通過分析表2、表3和表4，可得出：①N3702運(yùn)輸巷（下）共施工101個(gè)順層鉆孔，因內(nèi)拉或拉空氣有10個(gè)鉆孔未形成接抽，16個(gè)鉆孔單孔抽采濃度低于30%，75個(gè)鉆孔抽采濃度高于30%，占施工鉆孔總數(shù)的比例分別為10%，16%和74%，如圖9所示；②N3702運(yùn)輸巷（下）接抽91個(gè)順層鉆孔，16個(gè)鉆孔單孔抽采濃度低于30%，75個(gè)鉆孔抽采濃度高于30%，占施工鉆孔總數(shù)的比例分別為18%和82%，如圖10所示。

接抽鉆孔的平均抽采濃度為45%.N2706工作面順層鉆孔采用水泥砂漿二次封孔工藝，鉆孔平均抽采濃度僅為28%，采用篩管下全套和優(yōu)化封孔工藝后，單孔平抽采濃度提高60.7%，如圖11所示。

3.3.2 鉆孔抽采純量分析

在N3702工作面順層鉆孔接抽的91個(gè)鉆孔中選擇2個(gè)鉆孔安裝瓦斯表，抽采參數(shù)如表5所示。

由表5可知，在平均抽采負(fù)壓為7.24 kPa的條件下，W7和E11順層鉆孔的平均抽采濃度達(dá)48%，平均抽采量為0.006 4 m3/min。N2706工作面順層鉆孔抽采90 d的平均抽采純量為0.002 m3/min（根據(jù)支管抽采量和在抽孔數(shù)反算），采用篩管下全套和優(yōu)化封孔工藝后，抽采效果提高2.2倍，并且形成接抽90 d后，單孔抽采純量無(wú)明顯變化，說明順層鉆孔封孔嚴(yán)密，鉆孔內(nèi)部無(wú)堵塞，如圖12、圖13所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

N3702工作面順層鉆孔共施工101個(gè)鉆孔，接抽91個(gè)鉆孔，接抽率達(dá)90%以上。接抽順層鉆孔中，有75個(gè)鉆孔抽采濃度達(dá)35%以上，占接抽鉆孔總數(shù)的82%.

實(shí)施篩管下全套和多段封孔工藝后，與N2706工作面順層鉆孔對(duì)比，鉆孔平均抽采濃度由28%升高到45%，鉆孔平均抽采純量由0.002 m3/min提高到0.006 4 m3/min，增幅分別為60.7%和220%，抽采效果明顯提升。

〔編輯：王霞〕