三軟低透氣煤層瓦斯抽采鉆孔工程精細(xì)管理

張飛虎

（鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

一直以來，煤炭是我國(guó)主體能源和重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)能源發(fā)展的壓艙石。事故統(tǒng)計(jì)表明，瓦斯是井下安全開采的最大威脅，特別是在重特大事故中，瓦斯類事故發(fā)生最頻繁、造成死亡人數(shù)最多[1]。目前，多數(shù)礦井進(jìn)入深部開采，面臨的瓦斯問題更加嚴(yán)峻，從安全、能源、環(huán)保3個(gè)方面考慮，都需要進(jìn)一步提高煤與瓦斯共采水平[2]。

我國(guó)大部分高瓦斯礦區(qū)煤層透氣性差，煤層增透是解決瓦斯抽采瓶頸問題的關(guān)鍵，保護(hù)層開采卸壓[3]、水力化措施[4]等增透技術(shù)得到快速發(fā)展。此外，抽采鉆孔提濃增量、瓦斯抽采參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)控與智能控制抽采等關(guān)鍵技術(shù)也是提高抽采水平的有效途徑[5]。

鄭煤集團(tuán)公司告成煤礦開采煤層為豫西三軟低透氣煤層，具有煤層透氣性差、煤體松軟易碎、鉆孔成孔難、流量衰減快的特點(diǎn)，為此應(yīng)用了水力壓裂、水力擴(kuò)孔綜合增透措施、鉆孔水力修復(fù)增透、水力沖孔與深孔預(yù)裂爆破耦合增透等技術(shù)。近年來，告成煤礦通過強(qiáng)化過程管控、提高裝備投入、應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新等技術(shù)手段，對(duì)瓦斯抽采鉆孔工程進(jìn)行精細(xì)管理，提高了瓦斯治理效果，可為突出危險(xiǎn)性強(qiáng)、煤層透氣性差、構(gòu)造條件復(fù)雜的同類礦井實(shí)現(xiàn)安全高效開采提供借鑒。

1 告成煤礦瓦斯治理發(fā)展

（1）第1階段。開采的二1煤層為單一煤層，不具備開采保護(hù)層的條件。2005年被鑒定為突出礦井后，初期采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶、回采區(qū)域煤層瓦斯及采空區(qū)埋管抽釆的方式進(jìn)行瓦斯抽釆。在采用順層鉆孔治理瓦斯中存在一些問題難以解決：①受滑動(dòng)構(gòu)造影響，煤層底板起伏變化大，部分地點(diǎn)鉆孔控制不到位，局部出現(xiàn)消突空白帶；②順層鉆孔施工與煤巷掘進(jìn)同步作業(yè)，施工時(shí)與煤巷掘進(jìn)相互影響，易造成掘進(jìn)工作面退路不暢通；③順層鉆孔施工時(shí)排粉量大，鉆孔易堵孔、護(hù)孔困難，鉆孔成孔率低；④順層鉆孔不具備增透卸煤條件，無法進(jìn)行卸煤增透作業(yè)，抽采效果差，只能密集孔作業(yè)；⑤隨著切巷長(zhǎng)度的增加，工作面回采區(qū)域部分順層鉆孔難以控制到位，空白帶仍需施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯治理，而順層和穿層鉆孔同時(shí)施工時(shí)，極易出現(xiàn)串孔，產(chǎn)生CO，造成鉆孔報(bào)廢。

（2）第2階段。自2009年開始，告成煤礦堅(jiān)持“瓦斯治理巖巷先行”的區(qū)域瓦斯治理理念，逐步取消了順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，瓦斯抽采主要采取“底板抽放巷+穿層預(yù)抽鉆孔”的方式，實(shí)現(xiàn)了向底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的全面轉(zhuǎn)變。

（3）第3階段。除鉆孔布置方式外，礦井瓦斯治理效果受到煤層條件、技術(shù)措施、管理等多方面因素的影響。在瓦斯治理過程中，告成煤礦逐步形成了工程總體布局、底抽巷系統(tǒng)獨(dú)立、穿層鉆孔全覆蓋預(yù)抽、高壓割縫增透、兩堵一注封孔、水力修復(fù)、塊段達(dá)標(biāo)、以用促抽的瓦斯綜合治理技術(shù)路線。通過強(qiáng)化瓦斯防治關(guān)鍵環(huán)節(jié)管控、踐行“一個(gè)鉆孔就是一個(gè)工程”，對(duì)瓦斯抽采進(jìn)行精細(xì)管理，確保瓦斯治理效果達(dá)標(biāo)。

2 瓦斯抽采鉆孔工程精細(xì)管理措施及效果

2.1 鉆孔施工全過程管控

從鉆孔設(shè)計(jì)—開孔—施工—驗(yàn)收—分析著手，全過程規(guī)范和細(xì)化每個(gè)環(huán)節(jié)，從根源上消除空白帶，提高設(shè)計(jì)的針對(duì)性、準(zhǔn)確性和效果的可靠性。

在鉆孔施工階段，穿層鉆孔設(shè)計(jì)從分單元鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)細(xì)化為單組鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)；鉆孔開孔利用姿態(tài)儀配合激光開孔定向儀精準(zhǔn)定位；利用打鉆視頻全程監(jiān)控鉆孔退桿、卸煤、護(hù)孔等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保鉆孔進(jìn)尺、卸煤量等數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；及時(shí)對(duì)鉆孔施工參數(shù)、測(cè)斜結(jié)果進(jìn)行上圖分析，杜絕消突空白帶。

在鉆孔抽采階段，對(duì)始抽濃度低、封孔質(zhì)量差、有效抽采期短的鉆孔，通過現(xiàn)場(chǎng)察看、調(diào)閱視頻資料及施工記錄等方法進(jìn)行分析，查找鉆孔設(shè)計(jì)、施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)管控等方面存在的問題，利用鉆孔修復(fù)技術(shù)、補(bǔ)打鉆孔等方式提高抽采率，保障消突效果。

2.2 三軟低透氣煤層增透技術(shù)改進(jìn)

2017年之前，告成煤礦主要以沖孔卸壓增透技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤層增透、增大抽采半徑、提高抽采效率，但是存在沖孔后煤層的透氣性仍然很差的問題，只有通過增加鉆孔工程量和泄煤量實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，增加了治理周期和成本。之后，告成煤礦引進(jìn)了水力割縫技術(shù)，并在25011底抽巷開展水力割縫技術(shù)試驗(yàn)，割縫鉆孔施工前后周邊抽采鉆孔濃度變化如圖1所示。

圖1 割縫鉆孔施工前后周邊抽采鉆孔濃度變化Fig.1 Changes in the concentration of surrounding drainage holes before and after kerf drilling construction

由圖1可以看出，水力割縫孔施工后，周邊抽采鉆孔濃度得到明顯提升，割縫對(duì)提高鉆孔抽采效果具有顯著作用。在試驗(yàn)段，割縫鉆孔高效抽采期較水力沖孔鉆孔平均延長(zhǎng)1個(gè)月。

2.3 瓦斯抽采鉆孔水力修復(fù)及二次增透技術(shù)

告成煤礦煤體松軟，塌孔、堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)瓦斯抽采孔施工一段時(shí)間后，在圍巖應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯壓力和煤體裂隙弱面的作用下鉆孔易發(fā)生塌孔、堵孔，造成抽采濃度、流量降低。為保障抽采效果，有必要采取二次增透措施，疏通鉆孔護(hù)孔管內(nèi)腔及周邊煤體裂隙，提高瓦斯抽采量，延長(zhǎng)鉆孔的使用壽命。

瓦斯抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。一方面，利用高壓射流對(duì)瓦斯抽采管內(nèi)部堵塞煤粉進(jìn)行沖洗，修復(fù)鉆孔通道；另一方面，高壓水射流破開瓦斯抽采管，會(huì)對(duì)鉆孔周圍煤體進(jìn)行擾動(dòng)，形成新的卸壓區(qū)域，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采孔的二次增透。

圖2 瓦斯抽采鉆孔水力作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hydraulic working machine for gas extraction drilling

在13221A工作面，利用3個(gè)車場(chǎng)作為底板巖巷，采取穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。盡管施工中已采用水力沖孔卸壓增透，抽采期間部分鉆孔濃度降低迅速。而在使用水力作業(yè)機(jī)對(duì)衰減鉆孔進(jìn)行修復(fù)及二次增透后，抽采效果明顯提升，割縫前后抽采管內(nèi)抽采量變化如圖3所示。由圖3可以看出，抽采量和抽采濃度有明顯提高。工作面從開始回采至回采結(jié)束，預(yù)測(cè)驗(yàn)證q值最大為3.39 L/min、S值最大為3.4 kg/m、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.45%，均小于控制值，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效無障礙回采。

2.4 優(yōu)化封孔工藝

告成煤礦傳統(tǒng)的封孔工藝是采用聚氨酯封孔，之后改進(jìn)為囊袋式兩堵一注封孔工藝。目前，正在試驗(yàn)推廣兩堵兩注通管直連封孔工藝、管柱法帶壓注漿封孔工藝。新封口工藝的封孔材料為高膨脹應(yīng)力凝膠劑和微膨脹注漿料，在試驗(yàn)段與囊袋式兩堵一注封孔工藝抽采鉆孔瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，采用新型管柱封孔工藝抽采鉆孔瓦斯?jié)舛认噍^于囊袋式兩堵一注封孔方式有明顯提高。新經(jīng)過封孔工藝和封孔材料的不斷改進(jìn)，鉆孔封孔成孔漏氣現(xiàn)象大大減少，始抽瓦斯?jié)舛却蠓忍嵘椴尚Ч黠@提升。

圖3 割縫前后總孔板濃度、流量變化曲線Fig.3 Change curve of total orifice plate concentration and flow rate before and after slitting

3 治理效果

通過規(guī)范抽采標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化過程管控、裝備投入、技術(shù)創(chuàng)新、精準(zhǔn)考核等手段，瓦斯治理效果得到提高，底抽巷鉆孔始抽濃度、地面瓦斯抽采泵站抽采濃度得到明顯提升，如圖5、圖6所示。

通過瓦斯抽采鉆孔工程全過程精細(xì)管理，瓦斯治理由治得住向治得好、治得快轉(zhuǎn)變。回采工作面單產(chǎn)水平由原來的單產(chǎn)7.30萬t/月提高到10.20萬t/月，為礦井實(shí)現(xiàn)一井一面生產(chǎn)格局奠定了基礎(chǔ)。煤巷進(jìn)尺速度由原來72 m/月提高到100 m/月以上，為礦井正常接替提供了保障。

4 結(jié)語(yǔ)

告成煤礦開采豫西三軟低透氣煤層，煤層透氣性差、煤體松軟易碎、鉆孔成孔難、流量衰減快，造成瓦斯抽采困難。為提高瓦斯治理效果，對(duì)瓦斯抽采鉆孔工程全過程進(jìn)行精細(xì)管理。穿層鉆孔設(shè)計(jì)細(xì)化

圖4 新型管柱封孔工藝與囊袋式兩堵一注封孔工藝抽采濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of the extraction concentration between the new type of string sealing technology and the bag-type two-plug and one-injection sealing process

圖5 2017年、2019年底抽巷支管抽采濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of the extraction concentration of the extraction tunnel and branch pipes at the end of 2017 and 2019

圖6 2017年、2019年地面瓦斯抽采泵站抽采濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of drainage concentration of surface gas drainage pumping stations in 2017 and 2019

為單組鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)，利用姿態(tài)儀和激光開孔定向儀對(duì)鉆孔開孔精準(zhǔn)定位，視頻全程監(jiān)控鉆孔退桿、卸煤、護(hù)孔等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，改進(jìn)煤層增透技術(shù)，并對(duì)低濃度鉆孔進(jìn)行修復(fù)以提高抽采量，不斷優(yōu)化封孔工藝，有效提高抽采濃度和抽采量，保障了礦井安全、正常接替。告成煤礦瓦斯抽采鉆孔工程全過程精細(xì)管理實(shí)踐，可為突出危險(xiǎn)性強(qiáng)、煤層透氣性差、構(gòu)造條件復(fù)雜的同類礦井實(shí)現(xiàn)安全高效開采提供借鑒。