掏穴擴孔技術在低透氣性松軟煤層中的應用

戎冬冬

(潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103)

余吾煤業公司是潞安集團的一座大型現代化礦井，核定生產能力750萬t/a，主采3號煤層，煤層平均厚度6 m，為高瓦斯礦井，煤層透氣性系數0.146 0～1.093 8 m2/(MPa2·d)，煤體堅固性系數為0.35～0.56，屬于松軟、低透氣性煤層。為解決煤巷掘進過程中瓦斯濃度高影響掘進正規循環難題，在N2203工作面布置底板巖巷，按照組間距5 m、每組施工9個鉆孔對N2203膠帶巷煤體進行預抽。N2203底抽巷單孔抽采瓦斯濃度65%、純量0.02 m3/min，為進一步提高穿層鉆孔抽采效率，快速降低煤體瓦斯含量，在N2203底抽巷穿層鉆孔中進行掏穴擴孔技術試驗[1]。

1 技術原理

掏穴擴孔技術是在普通穿層鉆孔的基礎上對鉆孔實施掏穴工藝，使用普通鉆具成孔后，更換為掏穴鉆頭送入煤孔段進行擴孔，在靜壓水壓力達到0.3 MPa時，打開單翼刮刀(見圖1)，從而擴大鉆孔煤孔段的直徑，增大周圍煤體裂隙，釋放煤體應力，提高煤層透氣性，促使大量瓦斯進行解析，從而增強鉆孔瓦斯抽放效果[1]。

圖1 單翼掏穴擴孔鉆頭示意

余吾煤業穿層鉆孔施工過程為水力鉆進，孔底靜壓水壓力為0.4～0.5 MPa，施工時使用D94 mm復合鉆頭鉆進，采用西安煤科院研發的單翼掏穴鉆頭進行擴孔，在靜壓水壓力下自動打開刮刀，擴孔直徑可達200 mm。

2 施工工藝

1) 使用D94 mm復合片鉆頭配合光面鉆桿鉆進，鉆進至煤層頂板0.5 m停鉆，并用靜壓水將孔內煤渣沖洗干凈，即返水接近于透明時，方可開始退鉆。

2) 退出普通鉆頭、鉆桿后，在孔外試驗掏穴鉆頭單翼刮刀是否能夠正常打開，正常后換用掏穴鉆頭后接光面鉆桿順時針旋轉送至煤巖分界處，調整鉆機馬達轉速，開始擴孔。

3) 掏穴鉆頭擴孔期間，必須輕壓慢轉鉆進，確保煤屑充分排至孔外，防止憋孔造成瓦斯超限。當通過計算鉆桿數量到達煤層頂板后，要時刻關注鉆孔返渣返水情況，控制好推進壓力，保持孔內水量，待孔內煤屑排凈即可退鉆。

4) 退鉆時關閉靜壓水，緩慢退出鉆具，單翼刮刀會在巖孔段退鉆桿過程中收縮至鉆頭內部。退鉆完畢后，檢查單翼掏穴鉆頭是否能夠正常打開，并做好記錄，為下一個鉆孔提供便利條件。

3 試驗概況

N2203底抽巷穿層鉆孔9個鉆孔為一組控制一組煤體，控制范圍為被掩護巷道兩側輪廓線外17 m范圍，在控制范圍內按照5.0 m×5.0 m的網格均勻布置。每組鉆孔在同一斷面內施工，施工組間距為5.0 m，控制前后2.5 m范圍內煤體，每個鉆孔在3號煤層頂板處間距為5.0 m，形成5.0 m×5.0 m的網格，鉆孔穿過3號煤層頂板0.5 m方可終孔[2]。

N2203底抽巷使用ZLJ4000鉆機、光面鉆桿、D94 mm鉆頭施工穿層鉆孔，采用布囊配合微膨脹水泥漿液進行封孔，共布置1組掏穴鉆孔、1組普通穿層鉆孔進行考察，每組布置9個鉆孔，共計18個鉆孔。其中掏穴鉆孔組為第1組(1-1號～1-9號)(見圖2、圖3)，普通鉆孔組為第2組(2-1號～2-9號)。掏穴鉆孔平均深度為21.9 m，普通鉆孔平均深度為22.7 m，煤孔、巖孔深度分別為8.1～9.1 m、13.2～13.3 m(見表1)，掏穴鉆孔出煤量為44～50 kg/m。

圖2 N2203底抽巷掏穴鉆孔與普通鉆孔平面布置

圖3 N2203底抽巷穿層鉆孔剖面(m)

4 效果分析

4.1 單孔抽采參數

為對比掏穴鉆孔與普通鉆孔抽采效率，在1-2組1-1號、2-1號鉆孔上分別安裝單孔流量計，同時每組鉆孔安裝一個4寸孔板流量計，每3天觀測一次抽采濃度、抽采純量。通過連續觀測試驗鉆孔單孔數據，整理出單孔抽采濃度最大值與平均值，如圖4、圖5所示。

表1N2203底抽巷穿層鉆孔成孔情況m

組號鉆孔編號1號2號3號4號5號6號7號8號9號煤孔平均深度巖孔平均深度第1組17.017.018.018.520.021.524.028.532.58.113.3第2組15.516.016.017.521.525.027.030.036.09.113.2

1) 抽采濃度：第1組、第2組鉆孔中最大濃度分別為92.8%、91.6%，平均濃度分別為80.4%、79.8%，即掏穴鉆孔與普通鉆孔抽采濃度基本一致。

2) 抽采純量：第1組、第2組鉆孔中最大抽采純量分別為0.06 m3/min、0.043 m3/min，掏穴鉆孔為普通鉆孔的1.4倍；第1組、第2組鉆孔中平均抽采純量分別為0.053 m3/min、0.034 m3/min，掏穴鉆孔為普通鉆孔的1.56倍。即掏穴鉆孔抽采純量遠大于普通鉆孔，說明掏穴鉆孔孔徑變大，暴露的煤壁面積增大，增大周圍煤體裂隙，大量瓦斯進行解析，從而增加了鉆孔抽采純量。

4.2 單組抽采參數

通過在第1組和第2組安裝4寸孔板流量計，并每3天進行一次數據觀測，得出掏穴鉆孔組與普通鉆孔組抽采濃度、抽采純量變化曲線，如圖6所示。

圖4 單孔抽采濃度對比

圖5 單孔抽采純量對比

由圖6可知： ①隨著抽采時間的增加，第1組、第2組鉆孔抽采濃度基本保持不變，且二者基本一致，均在80%以上； ②第1組鉆孔最大、平均抽采純量分別為0.6 m3/min、0.531 m3/min，第2組分別為0.45 m3/min、0.33 m3/min，第1組為第2組的1.33倍、1.61倍；③隨著鉆孔連續帶抽，第1組、第2組鉆孔抽采純量均出現不同程度下降，隨后保持穩定，其中第1組鉆孔抽采至第24 d后，穩定在約0.45 m3/min，第2組鉆孔在抽采至15 d后穩定約在0.28 m3/min，掏穴鉆孔流量衰減時間多于普通鉆孔，說明鉆孔經過掏穴后，孔內煤體充分卸壓，提高了煤層的透氣性，大量煤體瓦斯解析。

圖6 掏穴鉆孔組與普通鉆孔組抽采參數變化趨勢

5 結 語

余吾煤業通過在N2203底抽巷穿層鉆孔中進行掏穴擴孔試驗，通過分析對比掏穴鉆孔和普通穿層鉆孔，二者抽采濃度基本一致，掏穴鉆孔抽采流量明顯增加，流量衰減時間明顯增多，抽采效果明顯增強。