超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯工藝研究

汪開旺

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

我國煤炭資源豐富，據預測，到2030年煤炭仍將占一次能源消費總量的50%左右[1]。豐富的煤炭資源伴隨著儲量巨大的煤層瓦斯，由于我國大部分礦區煤層瓦斯賦存具有“三高兩低”特征[2](三高：煤層高瓦斯含量、高可塑性結構、高吸附瓦斯能力；兩低：煤層滲透率低、強化措施下煤層常規破裂裂隙占比低)，在工作面回采過程中上隅角瓦斯時常會出現超限的情況，造成嚴重的安全隱患。

為解決上隅角瓦斯超限問題，有關科技人員開展了均壓通風技術或者引風流技術[3-6]、變U型通風為Y型通風[7-9]，以及采用高抽巷、高位鉆孔、上隅角埋(插)管等技術[10-14]治理上隅角瓦斯。這些技術取得了較好的治理效果，但也分別存在增加巷道內設施、巖石巷道(鉆孔)施工和維護成本高的不足。因此，需要研究新的治理模式和方法來對上述技術成果進行補充。

鑒于此，葉根飛根據山西煤礦井下巷道布置現狀提出施工大直徑鉆孔替代回風巷道的聯絡巷抽采上隅角瓦斯的方法[15]，其采用多次擴孔工藝形成直徑600 mm的近水平鉆孔；謝生榮等[16]基于“U+L”型通風系統提出尾巷超大直徑管路橫接采空區密閉抽采技術，在回風巷與尾巷間施工聯絡巷并在其中埋入?200 mm管路接入鋪設于尾巷中的管路(?1 200 mm)抽采系統，在抽采負壓作用下截流采空區涌向上隅角的瓦斯，同時實現上隅角和尾巷瓦斯濃度的穩定控制。后來研發了ZDJ10000L型系列履帶式大螺旋鉆機，可一次成型超大直徑鉆孔(通常鉆孔直徑大于500 mm)并全孔段敷設鋼質護管，進而對這種一次成孔抽采上隅角瓦斯的新技術進行了大量的研究和應用，實現了大流量和高濃度瓦斯抽采[17-18]。但是超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯新技術的研究主要集中在現場應用方面，對現場鉆孔布置的數值模擬、應用效果、經濟效益對比做了詳細的闡述[17-19]，而針對具體的鉆機操作流程、統一規范的鉆孔施工技術工藝等方面并未進行深入研究。筆者基于前期基礎研究和大量的現場經驗，提出了超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯工藝，以期為現場應用提供參考。

1 超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術

1.1 技術原理

U型通風方式下，在工作面回風巷和鄰近的輔助巷之間布置超大直徑鉆孔對上隅角瓦斯進行抽采，使上隅角附近形成一個負壓區，既可以截流攜帶高濃度瓦斯的漏風流，又可以轉移上隅角附近的低能點，讓大部分漏風回到抽采系統中，從而實現治理上隅角瓦斯超限的目的，其抽采過程如圖1所示。

圖1 超大直徑鉆孔抽采示意圖

總的來說，其技術本質主要是改變上隅角風流場，不讓瓦斯在上隅角因渦流而積聚，同時截斷了隨漏風流涌向上隅角的瓦斯來源。

1.2 成套裝備

現已形成完整的超大直徑鉆孔施工鉆機成套技術與裝備，其主要由主機、電控系統、液壓系統、鉆具、運輸系統五大部分組成。

鉆機可實現額定轉矩10 000 N·m以上，額定轉速60 r/min，額定功率75 kW，鉆機行走速度 4.5 m/min，爬坡坡度小于15°，該套裝備能穩定施工鉆孔深度大于80 m，最大鉆深可達100 m，鉆孔直徑為0.5～1.0 m。

2 鉆機操作施工參數

在其他因素不變時，超大直徑鉆孔的成孔效果取決于鉆機轉速、進鉆速度、運輸系統工效等施工參數。

2.1 鉆機轉速

鉆機額定轉速為60 r/min，鉆機轉速的大小影響到鉆孔的走位。根據煤礦應用時現場鉆機及施工情況、實際成孔效果，當煤的堅固性系數f值大于0.5或者煤層傾角較小時，可采用低轉速；當煤的堅固性系數f值小于0.5或者煤層傾角較大時，可采用高轉速。

2.2 進鉆速度

基于鉆機轉速同樣的影響后果，同時考慮煤渣排出情況，當煤的堅固性系數f值大于0.5或者煤層傾角較小時，可慢推進，一節鉆桿(長度為0.8 m)用時8～10 min；當煤的堅固性系數f值小于0.5或者煤層傾角較大時，可快推進，一節鉆桿用時 5～8 min。

2.3 運輸系統工效

現場應用表明，出煤渣運輸系統工作的好壞對整個鉆孔的施工速度有決定性的影響。根據已完成的工程項目經驗，選用孔口機載刮板運輸機和膠帶輸送機(或者40煤溜)聯合出煤，出煤渣效率不能低于100 kg/min。

3 超大直徑鉆孔施工及抽采工藝

施工超大直徑鉆孔是為了在工作面回風巷與鄰近的輔助巷之間制造一個通道，輔以其他手段達到抽采上隅角采空區瓦斯，降低瓦斯災害的目的，提升安全水平、提高生產效率。其技術工藝分為鉆孔間距的確定、鉆孔選址、鉆孔施工、護管施工、封孔、連接抽放系統6個步驟。

3.1 工藝流程

超大直徑鉆孔抽采上隅角瓦斯技術流程：根據礦井煤層瓦斯地質條件、瓦斯賦存情況及后期混合抽采量，確定鉆孔直徑和間距，然后依據回風巷、輔助巷的設施條件和位置高差選擇具有出煤運輸系統和較低位置的巷道進行超大直徑鉆孔施工，成孔后退鉆，利用鉆機將鋼質護管推入鉆孔進行封孔，接著對鉆孔兩端進行封孔，最后將鉆孔末端接入輔助巷中的抽采系統。

3.2 鉆孔間距的確定

抽采鉆孔都有一定的抽采影響范圍，使其控制半徑內的風流流向抽放管路，鉆孔間距過大將減弱對上隅角瓦斯的控制效果，起不到應有的作用；鉆孔間距過小則不經濟。因此，在煤柱中布置超大直徑鉆孔需要確定合理的鉆孔間距。

當鉆孔直徑為500 mm時，結合文獻[19]的研究成果，并通過在煤礦井下對超大直徑鉆孔抽采瓦斯過程進行監控發現，隨著抽采位置向采空區內轉移，上隅角瓦斯濃度逐漸增大，且當工作面距抽采鉆孔間距由20 m增加至30 m時上隅角瓦斯濃度上升幅度明顯增大，打開新鉆孔抽采后，上隅角瓦斯濃度迅速下降，隨著間距加大又逐漸升高。說明鉆孔間距大于30 m后不利于控制上隅角瓦斯，鉆孔間距選擇在 20～30 m內比較合適。

3.3 鉆孔選址

科學合理的選址關系到鉆孔的成功率和安全性，超大直徑鉆孔位置必須滿足以下因素：

1)地質因素。由于現階段所用鉆頭不具備破巖功能，在選擇位置時要盡量避開陷落柱、斷層，避免鉆孔塌孔無法成孔，也避免無法穿透煤柱。

2)施工因素。ZDJ10000L型鉆機長寬高分別為4.90、2.48、1.90 m，重達19 t，鉆機體型較大，現場需要有一定的作業空間進行鉆機操作，通常巷道寬度不小于4.5 m，高度不小于3.0 m。鉆機采用螺旋鉆桿排渣，上向鉆孔利于排渣，因此作業巷道通常選擇標高較低的巷道。

3)通風因素。打鉆作業地點要有可靠充足的新鮮風流，稀釋短時間內因大量破煤而解吸出來的瓦斯。

3.4 鉆孔施工

施工時，鉆孔傾角、方位角、孔深、孔徑、開孔間距等要符合設計參數要求。

鉆機組裝完成后，用鉆機吊裝設備將鉆頭、首節鉆桿、在加裝一節鉆桿后安裝至減速機上。主電動機啟動，通過聯軸器、減速機帶動鉆桿、鉆頭旋轉，然后在推進液壓缸的作用下鉆具向煤體中推進，鉆頭旋轉割煤鉆孔，通過螺旋鉆桿往外排渣。一節鉆桿完成后，操作單軌吊將下一節鉆桿吊放至對接位置，由對接操作人員將鉆桿對接并穿銷鎖好，即可進行下一節鉆桿的鉆進工作。如上反復循環，不斷接入鉆桿，直至鉆透煤柱為止。然后進行退鉆操作，退鉆的操作順序與進鉆操作相反。

鉆機司機必須熟悉鉆機性能，根據煤質硬度和煤層傾角合理掌握鉆機轉速和鉆進速度，并能根據現場情況進行及時調整。

3.5 護管施工

采用鉆機以機械方式向孔內送入鋼質護管。退鉆完畢后，將首節護管水平吊至鉆孔處并在首節護管安裝護管尖頭，然后利用鉆機推力將護管頂入鉆孔中。護管之間采用套口內插式連接，前一節護管推入指定位置后連接下一根護管，依次循環，直至護管安裝完畢，護管安裝示意圖見圖2。護管安裝完成后，將護管尖頭卸下，在管口安裝防堵篩網。

圖2 護管裝配示意圖

3.6 封孔

超大直徑鉆孔封孔可根據鉆孔施工實際情況選擇黃泥(水泥)封孔或者囊袋式封孔器注漿封孔，囊袋為定制的MNB400/700型封孔囊袋，封孔長度為6 m(鉆孔兩端分別封3 m)。

3.7 連接抽放系統

在輔助巷道內敷設抽放管路及閥門，利用法蘭與鋼質護管的法蘭端(中間連接可根據現場實際情況加工不同長度的鋼管短節、軟管進行連接)連接，并入抽放系統。中間連接可根據需要加入放水器、計量裝置，用于放水和觀測抽放鉆孔及管路的抽放濃度、抽放壓力、抽放流量等參數。

4 現場驗證

選擇在五陽煤礦7609工作面進行超大直徑鉆孔施工。工作面煤層平均厚度約為5.90 m，7609回風巷和7609輔助巷均沿煤層頂板掘進，為矩形斷面，寬 5.0 m、高3.5 m，2條巷道平均間距48 m。7609回風巷底板標高高于7609輔助巷底板標高，煤的堅固性系數f值為0.30～0.45。

根據巷道布置層位現狀及巷道內運輸系統，選擇在輔助巷往回風巷施工鉆孔。超大直徑鉆孔孔徑為550 mm，配套鉆桿選用?400 mm螺旋鉆桿，每根長度為0.8 m，鉆頭選用?550 mm鉆頭，垂直于煤墻施工，要求終孔高度離頂板0.5～1.0 m，開孔距離地面1.6 m左右。

共施工14個鉆孔，鉆孔平均長度為49 m，每班5個工人，每班次工作時間8 h。其中，1#～5#鉆孔未按照標準程序施工，6#～14#鉆孔嚴格按照前述鉆機操作施工參數及工藝要求進行打鉆、敷設護管和封孔。各鉆孔部分參數及施工時間見表1。

表1 鉆孔參數及施工時間

超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術施工工藝切實可行，嚴格按照程序操作后，鉆孔終孔高度從平均1.6 m提高到3.0 m，打鉆時間從平均5.8個班次降到3.3個班次，提高了工作效率，從打鉆至完成護管安裝時間由平均7.6個班次降到4.7個班次，降低了61%，極大降低了施工成本。

5 結論

1)超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術的本質是在上隅角制造一個大流量抽采鉆孔形成負壓區，以切斷采空區瓦斯供給和改變上隅角附近風流場，從而達到治理上隅角瓦斯的目的。

2)通過對現場經驗進行歸納，研究形成了以鉆孔間距確定、鉆孔選址、鉆孔施工、護管施工、封孔、連接抽放系統為主的超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯施工工藝。

3)通過規范施工工藝提高了鉆孔終孔高度，將打鉆至完成護管安裝時間由平均7.6個班次降到4.7個班次，耗時降低了61%，證明該工藝切實可行，在保證鉆孔達到設計要求的同時，提高了工作效率，降低了單個鉆孔施工成本。