土城礦松軟煤層下篩管瓦斯抽采技術試驗研究

李遠知

（盤江煤電（集團）公司土城礦，貴州 盤縣 553529）

隨著我國礦井采掘深度的不斷延伸，通過對煤層施打鉆孔預抽煤層瓦斯是治理礦井瓦斯災害的重要手段[1]。松軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔，存在易坍塌、瓦斯抽采效率較低的問題[2]，且采掘活動對煤巖體的反復擾動，易導致已成形鉆孔坍塌[3]。針對上述問題，土城礦15129工作面回風順槽松軟煤層下篩管護孔瓦斯抽采技術的現(xiàn)場試驗，為瓦斯治理提供了新的思路和有益借鑒。

1 技術原理

松軟煤層下篩管護孔技術原理如圖1所示。具體如下：（1）待鉆孔成形后，將篩管下放至孔洞內(nèi)對鉆孔周圍煤體形成支撐力，增強孔壁煤體的自穩(wěn)能力，煤體解吸的瓦斯通過篩管上的孔眼進入篩管內(nèi)，在抽采負壓與煤體瓦斯壓力差的共同作用下，使煤體瓦斯被順利抽出孔外；（2）在鉆孔封孔段，封孔段前方用AB囊袋進行封堵，并通過預埋注漿管向囊袋前方注漿，使?jié){液充滿整個封孔段。漿液進入囊袋與鉆孔壁以及囊袋前方的縫隙，消除漏風通道，提高鉆孔的封孔效果。

圖1 技術原理示意圖

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗地點概況

土城礦位于貴州省盤縣灑基鎮(zhèn)，為貴州盤江煤電有限責任公司所轄，礦井走向長12km，傾斜長2～3km，面積約為29km2,礦井設計生產(chǎn)能力2.4Mt/a，屬于高瓦斯礦井。土城礦15129掘進工作面位于15采區(qū)西翼一水平12號煤層，埋深665～670m，煤層平均厚度為3.2m，平均傾角13°，堅固性系數(shù)為2.8。直接頂為粉砂巖，厚度2.1m，堅固性系數(shù)2.8；直接底為粉砂質泥巖，厚度1.7m，堅固性系數(shù)1.7。工作面走向長1101m，掘進斷面為拱形，采用全斷面一次成巷，斷面尺寸為5m×3.1m。

2.2 方案設計

（1）封孔深度確定

根據(jù)鉆屑量與煤體內(nèi)的應力分布的關系確定鉆孔封孔深度。在與抽采鉆孔同一施工條件下，對間距為10m的5個測定鉆孔，在鉆孔鉆進過程中，每隔1m測定一次鉆屑量，總共測定12組鉆屑。結果顯示5個測試鉆孔的鉆屑量在8～11m深度出現(xiàn)了峰值，故在鉆孔深度為12m處進行封孔最為合理。如圖2所示。

圖2 鉆屑量變化曲線

（2）鉆孔布置

在15129底抽巷共設計3組，每組3個鉆孔進行試驗。其中1#～3#鉆孔采用鉆桿內(nèi)下篩管工藝，4#～6#鉆孔采用成孔退鉆后下篩管工藝，7#～9#鉆孔未進行下篩管施工，設計孔深120m，間距1m。

（3）試驗裝備與工藝流程

試驗裝備主要由鉆機、鉆桿、鉆頭、PVC篩管、卡孔器、封孔材料組成，其施工流程為：（1）將直徑73mm、單節(jié)長度為1m的高強度鋼質鉆桿安裝至現(xiàn)場采用的ZDY系列全液壓鉆機上，待第一節(jié)鉆桿安裝完畢后將直徑為113mm的一字鉸接型內(nèi)芯可開閉式鉆頭安裝至第一節(jié)鉆桿的前端部，而后安裝后續(xù)鉆桿，通過鉆機的動力傳送將鉆桿向前傳遞，鉆頭在鉆桿傳送的動力支持作用下對煤巖進行切割破碎，實現(xiàn)鉆孔。（2）待鉆孔結束后，將具有阻燃、抗靜電的PVC護孔篩管的端頭與卡孔器連接，放入鉆桿內(nèi)下放至鉆桿頂部外，而后將鉆桿逐次卸掉，由于卡孔器的作用，篩管被穩(wěn)定的固位在鉆孔頂部。退鉆后下篩管技術無需卡孔器裝置。（3）待下篩管結束后，將下方的封孔管與下方的下篩管連接，采用聚氨酯囊袋加AB料水泥漿進行封孔。

3 瓦斯抽采效果分析

不同工藝下篩管效果見表1。從表中數(shù)據(jù)可知，退鉆后的篩管下放率都在40%以下，原因為：（1）在成孔過程中，由于煤體結構的非均質性與鉆桿自重的雙重作用，鉆孔會偏離原有設計孔位。（2）退鉆后鉆孔在失去鉆桿的支撐作用下容易失穩(wěn)，導致下篩管困難。鉆桿內(nèi)下篩管技術篩管下放率均在90%以上，最高可達96%，有利于實現(xiàn)全孔段護孔。

表1 鉆孔施工參數(shù)對比

圖3 鉆孔瓦斯抽采量

如圖3、圖4所示，采用鉆孔內(nèi)下篩管技術單孔瓦斯流量最高達到了0.179m3/min，較退鉆后下篩管鉆孔平均瓦斯抽采量與濃度分別提高了2.5倍和1.87倍，比未下篩管鉆孔提高了9.2倍和12.03倍。未下篩管鉆孔瓦斯抽采濃度與瓦斯抽采量最低的原因為松軟煤層鉆孔孔壁周圍煤體自穩(wěn)能力弱，易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，堵塞鉆孔瓦斯運移通道，致使瓦斯抽采效率低下。采用退鉆后下篩管工藝的鉆孔抽采瓦斯平均濃度為38.8%，瓦斯抽采效率介于不退鉆下篩管鉆孔與未下篩管鉆孔之間，主要是由于篩管下放率低，未能實現(xiàn)全孔段護孔，局部塌孔現(xiàn)象的存在使鉆孔瓦斯有效抽采的區(qū)域降低。

圖4 鉆孔瓦斯抽采濃度

4 結 語

（1）采用鉆桿內(nèi)下篩管技術比退鉆后下篩管及未下篩管鉆孔平均瓦斯抽采量分別提高了2.4倍和9.5倍，平均濃度瓦斯抽采分別提高了1.6倍和3.5倍，故采用鉆桿內(nèi)下篩管技術有利于提高鉆孔瓦斯抽采效率，縮短抽采時長。

（2）采用鉆桿內(nèi)下篩管技術篩管下放率高達90%以上，最高可達96%，實現(xiàn)了鉆孔全孔段護孔的目的，保證了鉆孔瓦斯抽采效率的穩(wěn)定性。