頂板走向抽采鉆孔的綜合應用及優化分析

陳德忠

摘要：頂板走向鉆孔抽采效果關鍵取決于鉆孔參數及封孔工藝，而鉆孔參數與工作面采高、煤層傾角、頂板巖性等多個因素 有關，封孔工藝與注漿長度、質量有關。某礦一個工作面頂板走向鉆孔參數及封孔工藝的優化，增大了鉆孔抽采效果，實現 了抽采最大化，同時“一孔多用”，為防火保駕護航，可為類似工作面提供有益的參考。

關鍵詞：頂板走向；抽采鉆孔；應用；分析

中圖分類號：TD712.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）06-0105-01

頂板走向鉆孔是切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道，改變采 空區流場分布，減少采空區瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯積 聚的有效辦法；更是對采空區防火治理措施的有效補充。

1 頂板鉆孔的作用及工作面概況

1.1 頂板鉆孔作用

根據礦壓理論，煤層開采后其頂底板巖層發生冒落移動，當上

覆巖層下沉穩定后，上覆巖層采動裂隙區劃可分為“豎三帶”，即

采動區沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

對高瓦斯礦井，頂板走向鉆場治理瓦斯已經成為主要治理方式 之一。實質就是利用鉆場布置高位鉆孔抽采采空區冒落帶及裂隙帶 的瓦斯，解決上隅角瓦斯大面積積聚和回風流瓦斯超限問題。另外 利用頂板鉆孔注防火材料也是解決采空區自然發火隱患最有效的措 施。

如何合理布置鉆孔，達到最佳抽有效果，并且實現上述對頂析 走向鉆孔提出的綜合要求，是我們此次研究成果的重點。現就結合 我礦現場實際情況進行分析和總結。

1.2 工作面概況

某礦1111（3）綜采工作面采煤方法為后退式綜合機械化采煤。

采用單 U 形通風系統工作面風流穩定可靠，工作面供風量約 1950

m3/min，該面回采期間絕對瓦斯涌出量11～16m3/min，回風濃度平

均 0.46%～0.62%。

2 工作面初采期間頂板鉆孔的設計及綜合效果分析

2.1 初期頂板走向鉆孔設計

頂板鉆場在上風巷下幫以底板為基準按35°向上施工7m變平，

斜巷段巷道凈寬為 2.5m，凈高為 2.4m（梯型）；到位后再施工 5.6 （寬）*4.5（深）*2.4（高）m 頂板鉆場平臺。頂板鉆場和斜巷巖 性好時采用錨網支護，巖性差時采用架棚支護。

1～2 號鉆場各施工 20 個瓦斯抽采鉆孔，孔徑均為直徑 108mm。 鉆孔的層位布置在距13-1煤層頂板 25～35m 的裂隙帶內，傾向方向 控制到上風巷向下 40m。具體鉆孔施工和封孔工藝為：鉆孔先用直 徑 133mm的鉆頭進行施工，施工深度不小于 12m，然后再用直徑94mm 鉆頭施工到設計孔深，鉆孔施工完畢采用直徑 2.5 吋的鐵管 13m 作 為孔口管，前端1m 為花管，兩端用聚氨酯進行封堵實，采用水泥注 漿泵注水泥漿進行封孔，封孔深度不小于12m。

2.2 鉆孔綜合效果分析

該工作面回采期間，工作面正常生產時 2～3 刀，瓦斯絕對涌出

量為11～16 m3/min，回風流瓦斯在0.4～0.6%，上隅角瓦斯積聚嚴重。 工作面過鉆場期間，上隅角及回風巷瓦斯較大，處于臨界狀態。瓦 斯抽采效果不佳，已嚴重制約了安全生產。頂板鉆孔的科學分析已 刻不容緩，通過初采期間的瓦斯抽采各種資料分析發現多方面因素 影響鉆孔的瓦斯抽采效果。如頂板巖性、回采工藝、地質構造、抽 采鉆孔孔數、開孔及終孔布置的巖層位置、鄰近鉆場中的鉆孔接茬 關系、施工及封孔工藝等。

3 鉆孔終孔高度的確定

采煤工作面采空區內覆巖的移動破壞，在豎直方向上通常劃分

為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。裂隙帶和冒落帶是瓦 斯積聚的空間之一，也是瓦斯流動的主要通道。在自然狀態下，由 于 CH4 密度比空氣小，會自然上浮，存在于采動裂隙 O 型圈內。在 未抽采時，在通風負壓和采空區漏風流作用下涌向工作面上隅角和 回風巷造成瓦斯超限。現由于頂板走向鉆孔的終孔位置布置在冒落 帶以上的裂隙發育區內，又處于 O 型圈中上部，所以利用抽采泵負 壓動力對鉆孔進行抽采，相當于在鉆孔終端形成一個負壓區，截斷 了瓦斯流向采煤工作面通道，改變了采空區流場分布，使大量的采 空區瓦斯經鉆孔進入抽采系統，減少采空區瓦斯向工作面上隅角的涌出，降低回采工作面上隅角和回風巷的瓦斯濃度。

鉆孔高度計算：根據分析鉆孔主要是抽采采空區冒落事及裂隙

帶的瓦斯，由此可見鉆孔層位決定抽采效果。所以鉆孔終孔最好布 置在冒落帶頂部和裂隙帶中下部。

4 鉆孔孔數的確定

鉆場內空間有限，合理布置鉆孔數量相當關鍵，鉆孔數量過多

開孔不便，封孔不嚴，同時還相互存在擾動，嚴重影響瓦斯抽采效 果。

通過分析發現鉆孔終孔高度在 13～21m 時抽采效果最佳。同時終 孔高度在 13m 時與下一個鉆場壓茬孔之間出現了一個低抽采瓦斯濃 度和高抽采混合量的抽采“空白帶”，如果加大壓茬鉆孔長度把這段 給覆蓋，由于鉆孔長度越長導致鉆孔在每段的垂高會越來越低，從 而影響鉆孔最佳的抽采效果。為此經過綜合分析，在這個“空白帶” 處布置 4 個鉆孔進行抽采，既達到了抽采效果又解決長鉆孔的不利 面。

5 鉆孔封孔工藝的確定

封孔工藝是提高抽采濃度和抽采量的關鍵。目前主要采用聚胺

酯材料封孔。如果封孔質量不高、漏氣，抽采濃度不高，抽采負壓 不大，抽采效果就差。該面由于部分頂板走向鉆孔在地質構造帶區 域內施工，裂隙較發育，打鉆后按常規封孔方法效果不佳，鉆孔抽 采濃度難達到預定要求，且濃度衰減很快。原先鉆孔施工到位下套 管聚氨酯封堵孔口，注水泥漿液返漿管返漿結束。而實際情況分析： 水泥漿液凝固會產生收縮縫造成漏氣現象，周邊裂隙封堵不嚴。該 種工藝封孔成功率低，鉆孔濃度衰減快；一旦封孔失敗，需重新補 孔，增加工作量。因此針對此種情況對鉆孔施工及封孔工藝進行了 優化。

5.1 鉆孔施工前先按設計參數使用φ133mm鉆頭施工12m停鉆， 取出鉆桿，再用φ168mm 鉆頭擴孔，擴孔 12m 后，用風（水）沖洗 鉆孔內的煤巖粉，取出鉆桿；下自制的φ108mm 套管封孔10m，用聚 銨酯封孔固定牢固。

5.2 套管孔口段用聚氨酯固定牢固，安裝自制變頭進行全孔注 漿封堵周邊裂隙。水泥漿的水灰比為 0.7：1，為了更有效封堵裂隙， 提高注漿封孔效果，采用間隙性注漿方式，即先對鉆孔進行一次注 漿，間隔 1 個小時后，對鉆孔進行二次注漿，此次注漿標準為壓力 達到 6Mpa，且漿液注不進去為止，注好后等待漿液凝固（18-24 小 時）。

5.3 待注好的漿液凝固后，用φ94mm 鉆頭在封孔管內按照原角 度重新開孔，鉆孔直接施工到設計終孔點，用風（水）沖洗鉆孔， 確保鉆孔內沒有巖粉。取出孔內鉆桿，為防止垮孔提高抽采效果全 程下1（或 2）吋護孔花管。

6 抽采效果檢驗

通過鉆孔優化和封孔工藝等一系列新措施和新方法實施后，抽

采瓦斯濃度有了很大的提高，抽采效果明顯，現鉆場施工鉆孔數減 少4 個，初期抽采單孔瓦斯濃度均在 70%以上，并且持續時間長。

通過上述參數的調整及封孔工藝優化后，工作面后期抽采量達 到 4.5 m3/min，鉆場抽采總瓦斯濃度達 40～70%，抽采率達 65%， 實現了抽采最大化，有效的瓦斯治理保證了該面的安全生產。

結語

頂板走向鉆孔抽采效果關鍵取決于鉆孔參數及封孔工藝，而鉆

孔參數與工作面采高、煤層傾角、頂板巖性等多個因素有關，封孔 工藝與注漿長度、質量有關。1131（3）頂板走向鉆孔參數及封孔工 藝的優化，增大了鉆孔抽采效果，實現了抽采最大化，同時“一孔 多用”，為防火保駕護航，可為類似工作面提供有益的參考。