高位裂隙鉆孔在回采工作面瓦斯治理中的應(yīng)用

（晉中市煤礦安全信息中心 山西 030600）

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭由井工開采的占97%左右，并且在煤炭開采強(qiáng)度、深度越來越大的背景下，煤炭生產(chǎn)過程中地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、水害、粉塵以及地溫等因素的風(fēng)險(xiǎn)隱患也不斷增高。尤其是瓦斯，對(duì)礦井、采煤工作面的瓦斯抽采問題備受行業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。煤礦瓦斯是礦井下危險(xiǎn)性極高的氣體，主要特點(diǎn)就是易燃易爆炸，CH4是其重要組成部分，同時(shí)也是一種清潔高效的能源。因此，如何對(duì)煤礦井下瓦斯進(jìn)行抽采并對(duì)其進(jìn)行有效利用是一大難題。相關(guān)專家學(xué)者為此提出了多個(gè)辦法，比如：增大風(fēng)量將瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行稀釋、在工作面增打瓦斯釋放孔、封堵進(jìn)風(fēng)隅角防止漏風(fēng)等，但是發(fā)現(xiàn)高位裂隙鉆孔抽取回采工作面的方式效果最為顯著。因此，對(duì)該瓦斯治理方式進(jìn)行研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1.高危裂隙鉆孔抽采瓦斯機(jī)理概述

采空區(qū)上覆巖層在運(yùn)動(dòng)時(shí)，按照每個(gè)巖層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的不同垂直方向，可將其分為三部分，即“三帶”：垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，水平方向則是具備三個(gè)區(qū)，分別是煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)以及重新壓實(shí)區(qū)。

隨著采空區(qū)域“豎三帶”的生成，上覆巖層中也會(huì)漸漸出現(xiàn)離層裂隙與豎向破斷裂隙，垮落帶隨采隨垮，有著極大的裂隙空間，位于裂隙帶中的破斷巖層塊，排列十分整齊，碎脹系統(tǒng)極小，生成大批紛雜交錯(cuò)的裂隙，尤其是彎曲下沉帶巖層最為密集。隨著采空區(qū)“橫三區(qū)”的生成，煤層上覆巖層通常會(huì)在煤壁前方30-40m左右的位置開始變形，而且水平移動(dòng)也十分劇烈，然而垂直移動(dòng)可以忽略不計(jì)。當(dāng)回采完畢該區(qū)域之后，“豎三帶”生成環(huán)節(jié)中垂直位移迅速增加，因?yàn)槊總€(gè)層位的位移速度存在差異，所以極易出現(xiàn)層間離層。

采空區(qū)“三帶”所構(gòu)建的空間與1個(gè)多孔介質(zhì)空間類似，與空氣相比，CH4密度較小，其會(huì)在裂隙帶內(nèi)成為高濃度的瓦斯，垮落帶的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低。支撐影響區(qū)由于采動(dòng)因素導(dǎo)致原始裂隙擴(kuò)大，垂直裂隙不斷增多，這為瓦斯垂直流動(dòng)創(chuàng)造了條件；而離層區(qū)則是為瓦斯水平流動(dòng)創(chuàng)造了條件[1]。所以，在裂隙生成密集的巖層層位并且可以抽采濃度較高的瓦斯，高位裂隙鉆孔終孔落位決定在裂隙帶內(nèi)，因此，對(duì)采空區(qū)上覆巖石的變形破壞規(guī)律進(jìn)行研究分析，明確采空區(qū)上覆巖石“三帶”中垮落帶的具體高度是運(yùn)用高位裂隙鉆孔抽放瓦斯的基本前提。

2.定向裂隙帶長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)與施工流程

將煤礦使用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)的作用功能予以全面發(fā)揮，對(duì)巖層、煤層進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證鉆孔軌跡與施工設(shè)計(jì)方案一致，實(shí)現(xiàn)預(yù)期抽放目標(biāo)。通過定向裂隙帶長(zhǎng)鉆孔抽采對(duì)采煤工作面回采期間的瓦斯進(jìn)行治理。

(1)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

①終孔距頂板高度

結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行分析，高位鉆孔具體位置可布設(shè)于裂隙帶中，與采高相比，裂隙帶是其高度的8-10倍左右，但是因?yàn)轫敯鍘r性不一致，所以裂隙帶的高度也大不相同。其中裂隙帶高度應(yīng)當(dāng)根據(jù)煤場(chǎng)煤層厚度、巖層柱狀圖以及巖石成分性質(zhì)予以確定，而高位裂隙鉆孔終孔高度則需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況以及抽采成效來確定。

②終孔距巷幫深度

根據(jù)巷道卸壓圈范圍是巷道寬度的3倍或4倍，可確定終孔與巷幫之間的最小值。通常情況下，高位裂隙鉆孔終孔位置與回風(fēng)巷的間距在工作面傾斜長(zhǎng)度的1/3及以下，通過對(duì)鉆機(jī)長(zhǎng)度、巷道寬度以及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行考慮，可將鉆孔間距控制在8m左右，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體狀況以及抽采成效，確定高位裂隙鉆孔的終孔距巷幫最佳深度。

③鉆場(chǎng)間距

結(jié)合煤層參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，首先確定鉆場(chǎng)數(shù)量以及鉆場(chǎng)之間的距離，并參考該間距確定每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔數(shù)量。因?yàn)榛夭晒ぷ髅娉爸ёo(hù)不得低于20m，所以每組鉆孔搭接長(zhǎng)度也要在20m及以上，確保高位裂隙鉆孔的抽采成效達(dá)到預(yù)期。

(2)鉆孔施工工序

筆者建議選擇先定向、后擴(kuò)孔的方案，主要是為了與采煤工作面定向長(zhǎng)鉆孔終孔直徑設(shè)計(jì)孔深要求相符。

①開孔、下孔口套管、固管。在對(duì)孔口套管段進(jìn)行施工時(shí)，可選擇常規(guī)鉆桿配套Φ120mm的四翼平底PDC定向鉆頭開孔[2]。鉆場(chǎng)鉆孔應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)方位角、傾角予以操作，待其鉆至10m距離之后停止鉆孔，并將鉆頭取出，之后再安裝常規(guī)鉆桿配套Φ193mm的螺旋刀翼型PDC擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔操作，也是控制在10m左右，提鉆之后，將長(zhǎng)10m、直徑Φ160mm的鐵管孔口套管向下探入，該鐵管孔口套管包括四個(gè)短節(jié)，其中每個(gè)短節(jié)2.5m，注漿固管套管的過程中，相關(guān)工作人員還需要對(duì)各個(gè)深度鉆孔予以注漿加固。

②針對(duì)鉆孔四周裂縫，通過注漿方式對(duì)其進(jìn)行堵塞加固，等到水泥完全凝固且超過24小時(shí)之后再對(duì)定向裂隙帶長(zhǎng)鉆孔予以施工。

③定向鉆孔施工。應(yīng)用中心通纜鉆桿配有線隨鉆測(cè)量裝置、孔底馬達(dá)以及Φ120mm定向鉆頭配套復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)，對(duì)定向裂隙長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行施工，直至與設(shè)計(jì)方案中的孔深相符，孔徑可控制在120mm左右。

④全孔段擴(kuò)孔鉆進(jìn)。選擇常規(guī)鉆桿配套Φ153mm的螺旋刀翼型PDC擴(kuò)孔鉆頭，采取回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)全孔段進(jìn)行擴(kuò)孔操作，將終孔直徑控制在153mm左右。

⑤完成全孔段擴(kuò)孔鉆進(jìn)環(huán)節(jié)后，即刻對(duì)4#、6#鉆孔下篩管。選擇常規(guī)送鉆桿方式對(duì)配套Φ89mm的篩管進(jìn)行全孔段下放。

⑥連接抽采管路。等到全部鉆孔都完工之后，與抽采系統(tǒng)進(jìn)行緊密連接，開展后續(xù)工作。

(3)封孔工藝

各個(gè)鉆孔開孔、擴(kuò)孔、下入孔口套管之后，可優(yōu)先選擇水泥砂漿封孔法，詳細(xì)操作如下：

①在選擇孔口時(shí)，可選取帶法蘭盤，直徑160mm，長(zhǎng)度6m，予以孔口固管，在該過程中，應(yīng)當(dāng)將注漿管與排氣管同一時(shí)間封入孔內(nèi)，方可上好套管法蘭盤。

②封孔材料：購買專用的封孔管、封孔泵、注液管、排氣管、封孔袋、速凝水泥，其中注液管與排氣管的規(guī)格為Φ20mm。

③封孔工藝：一定要應(yīng)用封孔泵進(jìn)行動(dòng)力封孔。將封孔袋纏繞于孔口套管的孔口部位，其寬度控制在0.5m及以上，外端封孔袋外側(cè)與封孔管口部位相距0.5m，封孔管外露0.2m，注意，封孔袋需要用12#鐵絲進(jìn)行捆綁。

④以充分滿足各個(gè)鉆孔封孔設(shè)計(jì)深度需求為前提，選擇長(zhǎng)度合適的注液管與排氣管，規(guī)格皆為Φ20mm，與孔口套管同時(shí)封進(jìn)鉆孔開孔段，Φ20mm管裸露在外不得超過100mm。

⑤壓注水泥量：速凝水泥和水的比例是2:1。

⑥封孔完工之后，凝固時(shí)間不得少于24h。

⑦封孔要求：A.一定要選擇帶壓封孔方式，封孔壓力至少為4MPa；B.若是孔口四周有滲液出現(xiàn)，那么一定要及時(shí)對(duì)孔口套管進(jìn)行二次加固，即注漿；C.應(yīng)用間歇性多次注漿方式對(duì)裂隙進(jìn)行全方位的填充，遵循先使用稀漿，后使用稠漿的方式實(shí)時(shí)帶壓注漿，確保鉆孔四周的密實(shí)性。

3.高位裂隙鉆孔在回采工作面瓦斯治理中的實(shí)例應(yīng)用分析

潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦1301工作面屬于井田一采區(qū)，其應(yīng)用了綜合機(jī)械化后退式回采工藝，全部垮落法處理頂板，選擇的是“U”行風(fēng)方式，配風(fēng)量是2871m3/min。按照煤炭科學(xué)總院制定的瓦斯預(yù)測(cè)對(duì)1301工作面的瓦斯量進(jìn)行了檢測(cè)，其中最大瓦斯含量是11.95m3/t。相關(guān)管理負(fù)責(zé)人為了降低頂板裂隙瓦斯涌出量，決定對(duì)高位裂隙鉆孔技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。首先是布置鉆場(chǎng)，高位鉆場(chǎng)布置在1301回風(fēng)順層側(cè)煤壁處，鉆場(chǎng)長(zhǎng)、深、高分別為：4.5m、4.0m、2.5m，一共設(shè)置了6個(gè)高位鉆場(chǎng)，間距為50m[3]。其次是鉆孔，在鉆場(chǎng)煤壁位置設(shè)置一排高位裂隙鉆孔，分別是1#、2#、3#、4#，鉆孔施工在鉆場(chǎng)煤壁位置，與頂板相距1m，鉆孔間距也是1m，孔洞直徑為85mm，邊孔距幫距是0.5m。然后是擴(kuò)孔，對(duì)鉆好的孔洞進(jìn)行擴(kuò)孔操作，擴(kuò)孔深度是11m，直徑是110mm，擴(kuò)孔完成后，將4根PE瓦斯抽放管安裝在鉆孔內(nèi)，相鄰兩根選擇絲扣方式進(jìn)行連接。之后將16mm注漿軟管埋設(shè)在管和孔壁之間，埋管長(zhǎng)度是6m，注漿軟管埋入之后分別在擴(kuò)孔段底部和孔口處選擇膨脹水泥予以封堵，封堵長(zhǎng)度是0.5m。最后將灌漿泵和注漿軟管進(jìn)行連接，灌注水泥石膏漿。

應(yīng)用完高位裂隙鉆孔技術(shù)之后，1301工作面機(jī)道處平均瓦斯?jié)舛炔蛔?.8%，上隅角平局瓦斯?jié)舛炔蛔?.5%，頂板裂隙瓦斯含量減少到7%以下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葴p少到3%以下，且工作面沒有發(fā)生瓦斯超限短電問題，這為工作面回采工作的安全性、高效性提供了良好保障。

4.結(jié)束語

應(yīng)用高位裂隙鉆孔技術(shù)對(duì)回采工作面高濃度瓦斯進(jìn)行治理，首先要結(jié)合煤層厚度、采面開采情況設(shè)置鉆場(chǎng)和鉆孔分布，其次是要做好擴(kuò)孔、封孔工作，大量實(shí)踐證明，該方式能夠減小瓦斯體積分?jǐn)?shù)，提升瓦斯抽采效果，對(duì)瓦斯治理效果顯著。