松軟煤層抽采鉆孔護孔技術探討

陳彝龍，黃文軍

（1.江西省煤炭工業科學研究所，江西 南昌330029；2.江西煤業集團有限責任公司 沿溝煤礦，江西 樂平333304）

對于原始瓦斯含量高、壓力大且透氣性低的煤層來說，開采保護層結合鉆孔預先抽采煤層瓦斯措施是高效抽采瓦斯，防治煤與瓦斯突出的有效方法。但對于松軟煤層，順層和穿層預抽鉆孔施工過程中容易垮孔、堵孔，造成鉆孔有效利用段少，服務時間短，無法抽采鉆孔深處的煤層瓦斯，因而抽采瓦斯濃度低，流量不穩定，不能達到預期抽采效果。

1 抽采鉆孔護孔前后應力分析

1.1 鉆孔周圍應力分布

通常情況下，把鉆孔周圍的煤巖體看成是完全均質的連續彈性體，把均質連續無限或半無限彈性體中鉆孔周圍應力分布問題作為平面問題進行分析。隨著側壓系數λ不同，會出現不同的應力狀態，但孔兩側的切向應力集中系數會處于2～3之間，孔的頂、底部切向應力集中系數會處于－1～3之間（集中系數小于0即出現了拉應力區）。

圖1 孔塑性變形區及應力分布

鉆孔形成后，孔周圍煤體集中切向應力大于煤體本身抗壓（拉）或抗剪強度，孔周圍出現應力重新分布，并將形成破裂區、塑性區〔1〕（見圖1）。同時受煤層瓦斯徑向流場或球向流場瓦斯壓力的作用〔2〕，煤體殘余強度小于瓦斯壓力時，孔周圍一定范圍破裂區、塑性區煤體將垮落（即為垮落區）。此時，煤層鉆孔將出現垮孔、堵孔等現象。

1.2 垮孔后鉆孔周圍應力分布

由于煤層松軟，垮落區范圍擴大，垮落區煤體喪失承載能力，孔周圍煤體應力重新分布，破裂區、塑性區往深部發展。即鉆孔周邊煤體的垮落，擴大了鉆孔對周圍煤體的影響。

1.3 護孔后應力分布

若在鉆孔施工完成后，預計垮孔前，即在鉆孔中預先導入一特制鋼管或塑管，則即使鉆孔垮孔，管道內空間也將不受影響，即護孔。

由于煤具有碎脹性（碎脹系數KP），鉆孔垮落區煤體將填充鉆孔與管道間空隙，并沿孔周圍形成一定范圍的垮落區。若設鉆孔半徑為r0，護孔半徑為r，設垮落區半徑為R（見圖2），則：

由上式可知，當r→r0時，R→r0，即當護孔半徑等于鉆孔半徑時，煤體不發生垮落，垮落區最小；當r→0時，R→r0，即不護孔時，垮落區最大，但垮落煤體將填實鉆孔。

圖2 護孔后孔周圍變形區及應力分布

由上分析可知，若抽采鉆孔內導入一定管徑的管道，既能消除鉆孔垮孔、堵孔的問題，又能擴大鉆孔對周圍煤體的影響。

2 護孔技術試驗使用

2.1 試用工作面概況

沿溝煤礦位于萍樂坳陷帶東北端，開采煤層為上三迭統安源組，為煤與瓦斯突出礦井，歷史上曾發生過多起煤與瓦斯突出事故。七2、八1、八2為可采煤層，一、二、三、四、五、六、七1、九1為局部可采煤層。煤層瓦斯含量平均為19.72m3／t；煤層瓦斯壓力為0.15～3.25MPa；煤層透氣性系數為0.000125～0.0062m2／atm2·d，屬于較難抽采瓦斯煤層。

圖3 瓦斯抽采穿層鉆孔護孔示意

30702工作面位于30采區上區段，走向長260m，傾斜寬92m，標高為－270m～－340m（見圖3），平均煤厚3 m，煤層傾角43°～50°，瓦斯含量5.94～7.75m3／t。該采煤工作面作為保護層開采，經計算，該區域被保護煤層預計可抽采瓦斯量分別為：無名煤層瓦斯量93959m3，八1煤層瓦斯量875950m3，八2煤層瓦斯量518851m3。

圖4 瓦斯抽采順層鉆孔護孔示意

23823采煤工作面作為被保護層開采工作面位于23采區下區段，走向長420m，傾斜寬55m，標高為－220m～－260m（見圖4），平均煤厚3m，煤層傾角40°～50°，瓦斯含量5.77～8.9m3／t。經計算，該區域被保護煤層預計可抽采瓦斯量分別為：無名煤層瓦斯量93959m3，八1煤層瓦斯量724185m3，八2煤層瓦斯量89725m3。工作面部分為小煤窯濫采破壞。因此，23823機巷局部采取區域條帶預抽的方式進行順層瓦斯抽采。

2.2 工作面瓦斯抽采鉆孔的施工

在30702工作面－340機巷布置9個頂板（七煤）抽采鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置21個穿層抽采鉆孔，孔深29～83m，累計抽采鉆孔深為9910m，噸煤鉆孔量為0.08 m／t。在30702工作面－270風巷布置24個抽采鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置3個水平穿層鉆孔，孔深47～91 m，累計抽采鉆孔深為4896m，噸煤鉆孔量為0.04m／t，抽采鉆孔孔徑均為75mm。

在23823工作面－270機巷布置5個本煤層順層條帶預抽鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置25個順層抽采鉆孔，孔深11～60m，累計抽采鉆孔深為4900m，噸煤鉆孔量為0.5m／t，抽采鉆孔孔徑均為75mm，經效果檢驗5次后，瓦斯含量值均小于8m3／t。

2.3 抽采鉆孔的護孔技術工藝

護孔管的選擇既要保證管道質量可靠，能長距離順利送入井，又要經濟上合理，且不影響瓦斯抽采鉆孔流量和流速。經過經濟、技術比較，選用Φ＝33mm的塑管作為抽采鉆孔的護孔管。護孔時，首先采用5m長的Φ＝57 mm的塑管對孔口進行護孔，防止孔口因巷道頂底板來壓而導致鉆孔變形，發生堵孔。然后采用與鉆孔同樣長度的護孔管送入孔中，同時在塑管距煤層頂板2m處鉆若干蜂窩狀小孔。最后用聚胺脂封孔劑把施工好的鉆孔孔口封好，保證各鉆孔間不竄孔，不漏氣。

3 取得的效果

通過采取護孔技術，礦井瓦斯抽采技術指標得到明顯提高（見表1），延長了抽采鉆孔的使用壽命，減少采動過程中的超前壓力影響，消除了鉆孔通過軟巖層、煤線、泥巖及斷層帶時的塌孔、堵孔現象，提高了鉆孔瓦斯抽采效果，為低濃度瓦斯發電項目保證了充足的氣源。截止2011年4月18日，30702工作面共為地面瓦斯發電站提供了104.2萬m3瓦斯量，取得了較好的效果。截止2011年3月8日，23823機巷共為地面瓦斯發電站提供了8.9萬m3瓦斯量，取得了比較好的效果。

表1 30702工作面試用護孔瓦斯抽采技術前后比較

表2 23823工作面試用護孔瓦斯抽采技術前后比較

4 結語

與傳統的采用增大抽采瓦斯鉆孔孔徑、增加鉆孔暴露煤體面積來提高瓦斯抽采量相比，護孔措施在原有鉆孔暴露煤體面積的基礎上，利用增大垮落區來增加鉆孔對煤體的卸壓區，達到增加煤層透氣性的效果。

通過理論分析和應用，對于煤質松軟、瓦斯含量高、瓦斯壓力大的煤層，若抽采鉆孔內導入一定管徑的特制管道，既能消除鉆孔垮孔、堵孔的問題，延長鉆孔使用壽命，又能擴大鉆孔對周圍煤體的影響，提高瓦斯抽采效果。

〔1〕錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制〔M〕，徐州：中國礦業大學出版社，2003.

〔2〕俞啟香.礦井瓦斯防治〔M〕，徐州：中國礦業大學出版社，1992.