大采高工作面篩管防治軟煤層鉆孔塌孔技術(shù)研究

王翔宇

(山西煤炭運銷集團 長治有限公司，山西 長治 046000)

隨著高瓦斯礦井開采深度的增加[1]，高應(yīng)力及強荷載的作用使得煤巖體進一步破碎，大范圍高強度開采對煤巖體不停擾動，使煤巖體發(fā)生多次擠壓和破壞，在巷道圍巖應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖體原生裂隙的作用下，鉆孔就會發(fā)生塌孔，尤其是在工作面正前方、巷道兩幫應(yīng)力集中段更甚[2-4]，進而導(dǎo)致抽放瓦斯時間大為縮短，嚴(yán)重影響瓦斯抽放效率，解決這一問題最為常用的辦法就是使用篩管對鉆孔進行護壁。本文以中能煤礦2302大采高工作面為研究對象，通過現(xiàn)場試驗，研究在應(yīng)力集中帶中采用篩管護壁對瓦斯抽采的效果。

1 工作面概況

2302工作面煤層平均厚度約為5.25 m,煤層傾角為-9～5°，工作面采用傾斜長壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面原煤最大瓦斯含量為5.64 m3/t，日產(chǎn)量為8 306.2 t，絕對瓦斯涌出量為17.82 m3/min，煤層普氏系數(shù)為1.03，煤層透氣性系數(shù)為0.236 m2/(MPa2.d)，工作面正常回采期間采用U型通風(fēng)方式。

2302工作面本煤層抽采采用順層雙排鉆孔布置方式，其中上排孔采取平行鉆孔的布孔方式，與巷道成90°夾角；下排孔采取斜交鉆孔的布孔方式，與煤壁成65°夾角。下排孔開孔高度與底板的距離為1.5 m，兩排孔之間的距離為0.6 m,間距為6 m,成三花眼布置。鉆孔布置見圖1，鉆孔開孔位置見圖2，鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)

由于2302工作面煤層賦存較厚，受大采高開采超前壓力及鄰近采空區(qū)側(cè)向壓力的影響，本煤層鉆孔塌孔較嚴(yán)重，造成鉆孔抽采瓦斯流量及濃度均偏低，因此，決定引進篩管護孔工藝預(yù)防本煤層鉆孔塌孔，以提高抽采效率。

圖1 鉆孔布置示意

圖2 鉆孔開孔位置示意

2 篩管護孔工藝

該工藝原理如圖3所示，首先使用大通孔三棱鉆桿(如圖4)配合一字鉸接鉆頭(如圖5)在松軟的煤層中施工抽采瓦斯的鉆孔，當(dāng)鉆孔進深到設(shè)計深度時，再穿過大通徑三棱鉆桿內(nèi)的通孔將篩管放進去，篩管推開一字鉸接鉆頭橫梁到達(dá)底部，這時懸掛裝置(如圖5)通過彈卡卡緊在孔壁上，最后退出鉆桿，將篩管留在孔內(nèi)，在孔內(nèi)滯留的篩管將使得瓦斯抽放管道更加通暢。這樣鉆孔的使用周期就會延長，使瓦斯抽放效果更好。

圖3 篩管護孔技術(shù)原理

圖4 三棱鉆桿施工示意

圖5 懸掛裝置

3 現(xiàn)場試驗研究

3.1 試驗鉆孔布置情況

為研究篩管護孔對抽采效果的影響，在2302回風(fēng)巷進行現(xiàn)場試驗測試，選取12個本煤層鉆孔上排孔為研究對象，鉆孔間距為6 m，鉆孔長度為230 m，通過下設(shè)不同長度的篩管分析合理的護孔長度，試驗共分4組進行考察，a組：鉆孔全長230 m，下30 m篩管進行護孔；b組：鉆孔全長230 m，下50 m篩管進行護孔；c組：鉆孔全長230 m，用下篩管進行護孔長度達(dá)到70 m；d組：鉆孔全長230 m，不下篩管正常封孔。如圖6。鉆孔直徑為94 mm，篩管直徑為32 mm。a、b兩組孔被一個放水器連接，放水器與巷道抽采管路連接；c、d兩組孔被一個放水器連接，放水器再與巷道支管路抽采連接。

圖6 試驗鉆孔布置示意(m)

3.2 現(xiàn)場參數(shù)測定

篩管試驗孔和正常鉆孔抽采瓦斯?jié)舛取⒘髁亢拓?fù)壓參數(shù)都是通過CJZ70測定儀連續(xù)監(jiān)測一個月，然后收集一個月的數(shù)據(jù)進行分析，圖7～圖14為4組鉆孔瓦斯混合流量與濃度的變化情況。

圖7 下設(shè)30 m篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖8 下設(shè)30 m篩管鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖9 下設(shè)50 m篩管鉆孔瓦斯流量變化

圖10 下設(shè)50 m篩管鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖11 下設(shè)70 m篩管鉆孔瓦斯流量變化

圖12 下設(shè)70 m篩管鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖13 未下篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖14 未下篩管鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

3.3 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由圖7-圖14可知：下篩管長度為30 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量達(dá)到0.021～0.736 m3/min，平均單孔混合流量達(dá)到0.295 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在7%；下篩管長度達(dá)到50 m時，本煤層單孔瓦斯抽采混合流量達(dá)到0.091～1.800 m3/min，平均單孔混合流量為0.748 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在12%；下篩管長度達(dá)到70 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量為0.038～0.96 m3/min，平均單孔混合流量為0.367 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在11%；未下篩管的本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量是0.012～0.435 m3/min，平均單孔混合流量為0.178 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在6%。通過上述數(shù)據(jù)可以得出下篩管固孔技術(shù)能有效提高鉆孔抽采流量和濃度，當(dāng)篩管長度為30 m時，鉆孔瓦斯流量和濃度提高不是很明顯，說明大部分鉆孔的塌孔深度超過30 m；當(dāng)篩管護孔長度為70 m時，鉆孔瓦斯流量與濃度相比50 m長度的篩管反而變小，說明大部分鉆孔塌孔深度未超過70 m，篩管越長反而影響抽采效果；當(dāng)篩管護孔長度為50 m時，單孔瓦斯抽采混合流量提高到4.2倍左右，瓦斯?jié)舛忍岣叩?.0倍左右，說明下設(shè)50 m長篩管可有效防治塌孔，提高抽采效率。為了進一步確定篩管護孔選取50 m是否合理，在上述現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上又增加一組篩管長度為60 m的鉆孔進行試驗，通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)繪制出鉆孔瓦斯混合流量和濃度的變化曲線如圖15、圖16所示。

圖15 下60 m篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖16 下60 m篩管鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

通過分析可以得出：當(dāng)篩管長度達(dá)到60 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量達(dá)到0.134～1.624 m3/min，平均單孔混合流量達(dá)到0.759 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在12%左右；相比50 m長篩管鉆孔瓦斯混合流量有小幅度升高但并不明顯，瓦斯?jié)舛扰c50 m長篩管基本相同，本著經(jīng)濟合理的原則，建議礦方將篩管護孔的長度定為50 m。

4 結(jié) 語

通過對本煤層鉆孔下設(shè)不同長度篩管對比研究得出，當(dāng)篩管長度為50 m時，本煤層的平均單孔混合流量為0.748 m3/min，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在12%，相比未下篩管的鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量提高到原來的4.2倍左右，瓦斯?jié)舛忍岣叩?.0倍左右，繼續(xù)增加篩管長度到60 m，鉆孔瓦斯抽采混合流量和濃度增加不明顯，本著經(jīng)濟合理的原則，建議礦方在2302工作面下設(shè)50 m長篩管進行護孔。