采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術及應用

文/鄔喜倉 張迪

煤層開采后，由于遺留在采空區未回收的煤體所含的瓦斯釋放和上、下鄰近煤（巖）層、圍巖受采動影響卸壓瓦斯涌出，采空區內集聚有大量瓦斯，是煤礦生產的主要不安全因素。神華神東煤炭集團公司保德煤礦在工作面回風巷道埋管抽采技術上，將用于布置瓦斯抽采管路的聯絡巷替換為大直徑煤層鉆孔，形成了采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術，并進行了現場試驗，效果良好。

一、保德煤礦采動瓦斯治理概述

1.煤與瓦斯基本情況

保德煤礦為神華神東煤炭集團公司唯一高瓦斯礦井，井田內共含煤8層，可采煤層四層，分別為8、10、11、13號煤層，其中主采煤層為最上部的8號煤，煤層平均厚度為6.83m，平均傾角為5°，具有煤層厚度大、煤質堅硬，夾矸層多、透氣性差、瓦斯壓力大等特點。

保德煤礦8號煤層瓦斯賦存整體表現為低含量、高壓力、高放散初速度，煤層卸壓后消突效果明顯，煤層揭露瞬間瓦斯涌出量大，最大煤層瓦斯含量為7.523m3/t；透氣性系數為0.1365~1.8109m2/(MPa2d)，屬于可抽采到容易抽采煤層。工作面回采之前，采用定向鉆孔與常規鉆孔結合提前進行預抽，將煤層瓦斯含量降低至4.5m3/t以下。

2.采動瓦斯涌出情況

保德煤礦采用綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板，8號煤層上距鄰近層6號煤層13.9m，下距鄰近 層 9、10、11 號 煤層間距 分 別 為 9.9m、27.5m、32.5m。受采空區遺煤瓦斯釋放和臨近層采動瓦斯卸壓釋放影響，造成回采工作面回風風流和上隅角瓦斯大幅升高，對安全生產造成巨大隱患?；夭善陂g瓦斯涌出量基本是本煤層瓦斯涌出量與上下鄰近層瓦斯涌出量之和，根據在采的三、五盤區工作面瓦斯涌出情況，可知工作面回采時采動瓦斯涌出量大，且高于工作面通風能力，是礦井生產的主要不安全因素，必須進行治理。

二、采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術原理

保德煤礦針對聯絡巷埋管技術進行采動瓦斯抽采的不足，采用大直徑煤層鉆孔替代聯絡巷，提出大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術，即：工作面回采之前，在回采工作面一號回風巷和二號回風巷間的保留煤柱中，每隔30m左右施工1個大直徑煤層鉆孔，鉆孔位于煤層中上部，直徑不小于600mm；鉆孔施工完成后下入大直徑套管并可靠密封；在二號回風巷內鋪設一趟專用瓦斯抽采管路，并將其與大直徑煤層鉆孔內的套管連接；工作面回采時滯后采面50~150m對采空瓦斯進行半封閉式抽采。采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術原理如圖1所示。

圖1采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術原理

采用大直徑煤層鉆孔埋管技術進行采動瓦斯抽采，具有以下優點：

（1）布置密度大。在瓦斯抽采管路直徑相同的情況下，鉆孔布置間距比聯絡巷間距小一半左右。

（2）施工工期短、成本低。大直徑煤層鉆孔施工耗時遠小于聯絡巷掘進施工，可節約大量施工時間和施工成本。

（3）抽采工藝簡單?？刹捎瞄l閥直接管理大直徑煤層鉆孔抽采情況，不用頻繁砌風墻、拔風墻等操作。

（4）安全性高。大直徑鉆孔斷面面積遠小于聯絡巷斷面面積，對回風巷道和保留煤柱的影響范圍有限，對巷道回采安全性影響較小。

三、大直徑鉆孔鉆進成孔方案

采動瓦斯大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術的關鍵是大直徑煤層鉆孔施工。由于大直徑成孔鉆進扭矩大、排渣困難、保直性和孔壁穩定性差，一次成孔困難，因此綜合采用反向回拉擴孔成孔工藝和多級擴孔成孔工藝進行施工。

1.反向回拉擴孔成孔工藝

反向回拉擴孔成孔工藝是指采用正向回轉鉆進技術完成先導孔施工后，直接更換回拉擴孔鉆頭或打開先導鉆頭的回拉擴孔刀翼，退鉆的同時回轉孔內鉆具，反向破碎煤巖層，直到退出孔內所有鉆具，鉆孔擴孔完成。

反向回拉擴孔成孔工藝具有以下優點：

（1）將孔內鉆具受力由壓應力轉變為拉應力，降低了孔內鉆具彎曲變形，提高鉆具使用壽命，避免孔內鉆具損壞。

（2）退鉆作業和擴孔作業同時進行，減少了輔助鉆進時間，提高了擴孔施工效率。

（3）孔內鉆具受拉變直，擴孔軌跡和先導孔軌跡一致性較高，避免了大直徑鉆孔施工易偏斜的問題，鉆孔孔身質量高。

2.多級擴孔成孔工藝

多級擴孔成孔工藝是指采用多次擴孔技術實現大直徑鉆孔成孔的鉆進方法。

考慮采動瓦斯抽采對大直徑煤層鉆孔直徑的要求，采用一次開孔、三次擴孔的多級擴孔成孔工藝，鉆孔終孔直徑設計為Φ800mm。具體鉆具配置和工藝如下：

（1）先導孔鉆進：開孔采用Φ89mm外平鉆桿配套Φ193mmPDC扶正器、Φ215mmPDC全面鉆頭施工。

（2）一次擴孔：采用 Φ89mm外平鉆桿配套Φ380mm大直徑扶正器和Φ400mm回拉式擴孔鉆頭進行反向回拉擴孔成孔工藝鉆進，完成直徑Φ400mm的鉆孔擴孔施工。

（3）二次擴孔：采用 Φ89mm外平鉆桿配套Φ590mm大直徑扶正器和Φ600mm回拉式擴孔鉆頭進行反向回拉擴孔成孔工藝鉆進，完成直徑Φ600mm的鉆孔擴孔施工。

（4）三次擴孔：采用 Φ89mm外平鉆桿配套Φ590mm大直徑扶正器和Φ800mm回拉式擴孔鉆頭進行反向回拉擴孔成孔工藝鉆進，完成直徑Φ800mm的鉆孔擴孔施工，達到設計直徑。

四、試驗應用

現場試驗選擇在保德煤礦3盤區81306工作面進行，詳細情況如下：

1.工作面概況

81306工作面位于二號主輔運大巷以南，井田邊界以北，工作面設計長2489.5m，工作面傾向長度240m，平均煤厚為7.3m，屬厚煤層；煤層結構較為復雜，穩定夾矸3層，巖性泥巖及砂質泥巖，厚度0.1～0.7m；似層狀夾矸 4～5 層，炭質泥巖，厚度 0.05～0.1m。

81306工作面采用三進二回“U+L”型通風方式，共布置5條巷道，其中工作面上部布置巷道2條，分別為81306一號回風巷道、81306二號回風巷道；工作面下部布置三條巷道，分別為81306膠運順槽、81307一號回風巷道、81307二號回風巷道。其中81306一號回風巷道、81306二號回風巷道和81306膠運順槽為進風巷，81307一號回風巷道和81307二號回風巷道為81306工作面和81307工作面共用，當81306工作面回采時，為回風巷道；當81307工作面回采時，為進風巷道。

根據相鄰81305工作面回采時實際瓦斯涌出量情況可知，在現有巷道通風斷面條件下，回采工作面通風能力小于稀釋瓦斯所需要的風量，應當采取輔助措施抽采采動瓦斯。

2.鉆孔設計

工作面回采時采用大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術進行采動瓦斯治理。根據采動覆巖規律和瓦斯運移規律，鉆場布置在81307二號回風巷道，施工地層為81307一號回風巷道和81307二號回風巷道之間的保護煤柱。

（1）平面設計。鉆孔方位角設計為與一號回風巷道垂直，每隔35m左右設計一個大直徑煤層鉆孔，具體布置如圖2所示。

圖2大直徑煤層鉆孔平面設計示意圖

（2）剖面設計。 考慮煤層傾角 3°～9°的變化情況，開孔側選在二號回風順槽中，開口高度為底板上1.5m，終孔點側鉆孔高度控制在距頂板1m以內，確保對回風隅瓦斯治理的最大效果。鉆孔施工完成后，全孔下入大直徑套管并進行注漿加固，具體布置如圖3所示。

圖3大直徑煤層鉆孔平面設計示意圖

3.施工情況

采用上述鉆進施工方案和鉆進裝備進行了大直徑煤層鉆孔施工，施工完成后在下入Φ508mm瓦斯抽采管路作為套管并固管，套管口設置閘閥，用于管理抽采通道開閉。施工過程順利，共完成大直徑煤層鉆孔37個，成孔率100%，如圖4所示。

圖4大直徑煤層鉆孔實鉆軌跡平面圖

鉆孔施工過程如下：

（1）先導孔采用Φ215mmPDC全面鉆頭施工，將81307一號回風巷道與81307二號回風巷道貫通，鉆孔深度13m，鉆進時間30min。然后拆卸下鉆頭，安裝上Φ380mm大直徑扶正器和Φ400mm回拉式擴孔鉆頭。

（2）一次擴孔時，鉆機系統壓力6MPa，回拉壓力1MPa，水壓1.2～1.5MPa。反向回拉擴孔過程中，鉆進比較平穩，用時約35min。

（3）二次擴孔時，采用 Φ590mm扶正器和Φ600mm回拉式擴孔鉆頭鉆進，鉆機系統壓力7MPa，回拉壓力1.5MPa，水壓1.2～1.5MPa。反向回拉擴孔過程中，鉆機有輕微抖動現象，但整體平穩，用時約50min。

（4）三次擴孔時，采用Φ590mm大直徑扶正器和Φ800mm回拉式擴孔鉆頭，鉆機系統壓力8MPa左右，回拉壓力2.5MPa，水壓1.2～1.5MPa。反向回拉擴孔過程中，鉆機抖動現象加劇，擴孔速度慢，用時約70min。

4.瓦斯抽采效果

81306工作面于2014年開始回采，經過16個月完成回采工作，工作面回采過程中，采煤工作面風流、81307一號回風巷道回風風流與上隅角、81307二號回風巷道回風風流與上隅角的瓦斯濃度均低于0.4%，未發生瓦斯超限事故。

大直徑煤層鉆孔累計抽采瓦斯達到629.4萬m3，最大瓦斯抽采濃度為4.2%，最大純瓦斯流量22.61m3/min，減少了工作面回采時回風風流和上隅角瓦斯濃度，保障了工作面安全高效回采。

五、結論

1.針對采動瓦斯抽采需要，提出大直徑煤層鉆孔埋管抽采技術，與聯絡巷埋管抽采技術相比，具有布置密度大、施工成本低、施工工期短、鉆進安全性高等優點，現場試驗結果表明，該技術應用效果顯著，可滿足保德煤礦工作面回采時采動瓦斯抽采治理需要。

2.針對大直徑煤層鉆孔施工難題，提出反向回拉擴孔成孔工藝和多級擴孔成孔工藝，并研制選配了大直徑擴孔鉆頭和扶正器等鉆進裝備，現場試驗鉆孔成孔率達到100%，單個鉆孔鉆進用時約3h左右，具有鉆進效率高、勞動強度低和孔身質量好的優勢。

3.采用反向回拉擴孔成孔工藝可以降低鉆具受力、提高鉆進速度和效率，但需要專人在貫通巷道處進行拆卸更換鉆具；可開發可伸縮式大直徑回拉擴孔鉆頭，先導孔鉆進時，擴孔刀翼收回；先導孔鉆進到位后，擴孔刀翼伸出，并反向大直徑回拉擴孔，減少更換鉆頭操作。

4.大直徑鉆孔排渣困難、鉆具易彎曲損壞?？刹捎谜蚵菪龜U孔方案，利用大直徑螺旋鉆桿提高排渣效果；利用螺旋鉆桿葉片對鉆具和鉆頭的扶正作用，避免常規鉆具因嚴重彎曲發生斷裂，并實現保直鉆進。