王坡煤業(yè)綜放工作面瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城048021）

1 工程背景

王坡煤業(yè)3316綜放工作面垂直于主運(yùn)巷向南布置，位于三采區(qū)四條集中巷南側(cè)。工作面走向?yàn)?060m，傾斜寬度180m，平均埋深為600 m。整個(gè)工作面整體傾向?yàn)闁|高西低，屬于簡(jiǎn)單的向斜構(gòu)造。開采3#煤層，煤層平均厚度為4.6m，煤層平均傾角為5°。3#煤層老頂、老底均為中砂巖，直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖。采用采放比為1∶1的綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為54.58m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為138.78m3/min，為高瓦斯礦井。3#煤層瓦斯放散初速度ΔP為20～25，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.63～0.95，煤的孔隙率為7.38%～9.03%，煤層瓦斯壓力為0.58MPa，煤層瓦斯含量為5.73～18.77m3/t。3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性。

工作面巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)，地質(zhì)構(gòu)造、淋水段及頂板破碎地段時(shí)采用錨網(wǎng)+U型鋼棚或錨網(wǎng)+噴漿進(jìn)行復(fù)合支護(hù)。

2 高地應(yīng)力區(qū)煤層鉆孔施工工藝探討

2.1 高地應(yīng)力鉆孔鉆進(jìn)影響因素分析

（1）“三軟”煤層對(duì)深孔鉆進(jìn)的影響

一般煤層及其頂?shù)装迕簬r層膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育程度大、節(jié)理面風(fēng)化較為嚴(yán)重、內(nèi)部含有大量松、散、軟的膨化黏土礦物等具有復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)條件的煤層稱為“三軟”煤層。在煤層中打鉆孔，最大的難點(diǎn)在于煤層中的鉆孔容易出現(xiàn)縮孔、塌孔以及卡鉆，特別在高地應(yīng)力環(huán)境下的“三軟煤層”中更是容易發(fā)生這些問題，在打鉆過(guò)程中或鉆孔在完成以后，會(huì)在鉆孔周圍一定范圍內(nèi)發(fā)生二次應(yīng)力的重新分布，高地應(yīng)力下的松軟煤層其松弛性較大，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生很大的應(yīng)變變化，所以鉆孔很容易發(fā)生整體縮孔、局部塌孔，進(jìn)而導(dǎo)致卡鉆、退桿困難等問題。

（2）頂?shù)装鍖?duì)深孔鉆進(jìn)的影響

在打鉆過(guò)程中有時(shí)候會(huì)由于各方面原因鉆孔容易遇到煤層頂?shù)装澹@孔深度受到限制。導(dǎo)致打鉆遇到頂?shù)装宓脑蛑饕幸韵聨追矫妫旱谝唬@孔布置定向有誤，導(dǎo)致軌跡發(fā)生偏差；第二，鉆孔內(nèi)的嚴(yán)重塌孔導(dǎo)致鉆孔方向發(fā)生改變；第三，鉆機(jī)由于自重作用發(fā)生沉降從而導(dǎo)致鉆孔方向發(fā)生改變；第四，由于煤層內(nèi)含有夾矸，導(dǎo)致打鉆方向發(fā)生改變。

（3）鉆孔施工工藝技術(shù)影響因素

不同的鉆孔工藝會(huì)導(dǎo)致不同的成孔效果，而且會(huì)導(dǎo)致鉆孔內(nèi)各種復(fù)雜情況的發(fā)生，比如鉆機(jī)的來(lái)回起拔回轉(zhuǎn)，利用水沖洗鉆孔以及向鉆孔內(nèi)壓風(fēng)排渣等都會(huì)影響到孔內(nèi)壓力的平衡，從而造成孔內(nèi)壓力波動(dòng)，對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)造成影響。因此，使用綜合成套鉆孔設(shè)備對(duì)確保成孔至關(guān)重要。

2.2 鉆孔施工方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上影響因素分析，找出解決問題的鉆孔施工技術(shù)是關(guān)鍵。理論和實(shí)踐證明，螺旋鉆進(jìn)自排渣的鉆孔施工技術(shù)是施工順煤層長(zhǎng)鉆孔的最佳施工方式，螺旋葉片與鉆孔之間形成的“煤屑螺旋輸送帶”，使螺旋葉片連續(xù)不斷的將孔內(nèi)的煤屑排出孔外，減少了額外的排渣工藝，使鉆孔結(jié)構(gòu)的完整性保存較好，該施工有利于增強(qiáng)破碎煤層以及在高地應(yīng)力下軟煤層鉆孔的施工能力，很大程度上減少了鉆孔出現(xiàn)鉆穴以及塌孔，從而提高了成孔能力。采用合理的鉆進(jìn)施工參數(shù)和下篩管（或套管）參數(shù)，才能進(jìn)一步有效的提高施工效果。

（1）成孔直徑

一般在順煤層瓦斯預(yù)抽采中，抽采鉆孔直徑越大，其孔內(nèi)結(jié)構(gòu)越好，成孔概率越高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及以往王坡煤業(yè)瓦斯抽采情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆孔直徑大于85 mm時(shí)，瓦斯抽采效果更好。

（2）成孔深度

瓦斯抽采鉆孔的成孔深度往往根據(jù)礦井抽采設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要確定。3316工作面的傾向長(zhǎng)度為180m，所以根據(jù)實(shí)際需要確定鉆孔的最宜成孔深度為100～160 m。

（3）鉆進(jìn)速度

以提高施工工作效率以及成孔率為主要參考指標(biāo)，根據(jù)3316工作面煤層煤質(zhì)以及構(gòu)造應(yīng)力，確定鉆孔的理想鉆進(jìn)速度為0.5～1 m/min。

（4）鉆孔間距

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，王坡煤礦3#煤層有效抽采半徑1.5～3.0m，其鉆孔布置間距范圍宜為2.5～5.0 m。為確保能夠有效抽采瓦斯，設(shè)置順層鉆孔間距為3.5 m。

（5）鉆機(jī)類型

經(jīng)過(guò)近一年的順煤層鉆孔施工工藝性試驗(yàn)，ZYW-1900R型鉆機(jī)及鉆具較原有鉆機(jī)成孔效果更好，適合松軟順層瓦斯抽采鉆孔施工，最大鉆進(jìn)深度200m，采用螺旋鉆進(jìn)自排渣施工工藝。

2.3 鉆孔施工工藝效果對(duì)比

礦井采用的原排渣工藝為水力排渣方式。由于水介質(zhì)的密度要遠(yuǎn)大于氣體，導(dǎo)致其對(duì)煤孔的沖刷力較強(qiáng)，且水容易軟化煤層，并極易滲透到煤層裂隙中，導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，因此加大了鉆孔發(fā)生垮孔的概率。

在3316工作面回風(fēng)順槽距工作面約200m處進(jìn)行原鉆孔施工工藝以及改進(jìn)施工工藝的成孔效果的對(duì)比，用兩種鉆孔工藝同時(shí)進(jìn)行順煤層鉆孔施工，分別成孔28個(gè)，并對(duì)成孔深度進(jìn)行測(cè)量，得出兩種工藝對(duì)比成孔深度見圖1。由圖1可以看出，改進(jìn)的鉆孔施工工藝對(duì)比原工藝極大的提高了成孔效果，成孔率較高，能夠滿足瓦斯抽采需求。

圖1 鉆孔施工工藝改進(jìn)前后鉆孔施工深度對(duì)比

3 鉆孔封孔工藝研究

3.1 原封孔工藝

王坡煤業(yè)現(xiàn)在使用的封孔工藝為安爾特封孔工藝。該工藝主要是在鉆孔的封孔段中間部分注入安爾特高效膨脹劑，并在兩端采用安爾特高效封孔袋進(jìn)行完全密封。為進(jìn)一步了解現(xiàn)有封孔工藝的封孔效果，對(duì)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行了隨機(jī)抽采濃度檢測(cè)，由檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其效果并不理想。在剛開始的檢測(cè)中，檢測(cè)的抽采濃度大約在50%左右，在連續(xù)抽采4個(gè)月過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)抽采濃度在不斷下降，最終維持在不足30%的水平線上，由此可見，現(xiàn)使用的安爾特封孔工藝封孔效果不佳，因此需要采用更加高效的封孔工藝。

3.2 新型封孔工藝

（1）合理封孔深度確定

根據(jù)相關(guān)研究方法[3-4]，一般采用鉆屑指標(biāo)法及數(shù)值模擬方法對(duì)抽采鉆孔的封孔深度進(jìn)行研究確定。通過(guò)這兩種方法研究分析得出：利用鉆屑指標(biāo)法得出工作面巷道的松動(dòng)圈范圍為0～10m，利用數(shù)值模擬方法確定巷道圍巖松動(dòng)圈范圍為7～10m，所以綜合分析得出3316工作面回采巷道松動(dòng)圈的范圍為0～10 m。一般而言，瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)該一定程度上大于松動(dòng)圈范圍，而目前礦用的抽采管長(zhǎng)度大約長(zhǎng)度為4 m左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以及材料成本上考慮，確定使用長(zhǎng)度4m的瓦斯抽采管3根且用絲接連接好，所以鉆孔封孔深度為12 m。

(2）徑向膨脹主動(dòng)承壓式注漿封孔工藝

徑向膨脹主動(dòng)承壓式注漿封孔工藝其原理是通過(guò)動(dòng)力裝置將材料壓入抽采管兩端堵頭間的孔隙范圍，并向煤壁裂隙進(jìn)行滲透，該項(xiàng)封孔工藝的技術(shù)關(guān)鍵在于無(wú)機(jī)材料的特性和動(dòng)力裝置的帶壓能力，在一定范圍內(nèi)，壓力的大小決定著材料封堵裂隙的效果，見圖2。

圖2 徑向膨脹主動(dòng)承壓式封孔工藝封孔原理

對(duì)于封孔所使用的新材料漿體能夠高效快速的與煤體融合，并發(fā)生膨脹，從而使鉆孔達(dá)到高效密封的效果。該新材料漿體是專門針對(duì)礦井瓦斯抽采鉆孔封孔所研制的，其性能能夠很好的彌補(bǔ)目前封孔材料所具有的缺陷，從而使抽采瓦斯工作能夠更加高效安全。

3.3 封孔工藝對(duì)比效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證新材料封孔的應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在3316回風(fēng)順槽開展了封孔工藝對(duì)比試驗(yàn)。

（1）不同封孔工藝鉆孔單孔瓦斯抽采濃度變化

不同封孔工藝試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度隨預(yù)抽時(shí)間變化曲線見圖3，從圖中可以看出新材料注漿封孔鉆孔濃度衰減較慢，而原有封孔工藝的試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度衰減速度比較快。

圖3 不同封孔工藝試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛入S預(yù)抽時(shí)間變化趨勢(shì)

（2）不同封孔工藝鉆孔平均抽采濃度分析

為了能夠更加直觀比較兩種封孔工藝的優(yōu)劣，將所有鉆孔的抽采濃度變化進(jìn)行平均，圖4為不同封孔工藝平均抽采濃度變化曲線比較圖。

圖4 不同封孔工藝平均抽采濃度變化曲線比較

由圖可以看出，在觀測(cè)的120 d時(shí)間內(nèi)，新材料封孔工藝的瓦斯抽采濃度波動(dòng)不大，其抽采濃度大于50%的天數(shù)達(dá)到了91 d，且整體始終平均維持在70%左右，抽采濃度最大時(shí)可達(dá)90.5%，抽采效果理想。對(duì)比分析安爾特封孔，由圖可以看出在35 d內(nèi)，瓦斯抽采濃度隨時(shí)間始終在下降，最高時(shí)為開始時(shí)的80%，隨著觀測(cè)時(shí)間的進(jìn)行，在44 d時(shí)降到了60%，但是隨之繼續(xù)下降，最終抽采濃度維持在13%左右，整體瓦斯抽采濃度在50%以上的時(shí)間僅為14 d，封孔效果較差，不能夠滿足工程要求。因此最終確定使用新材料徑向膨脹主動(dòng)承壓式封孔工藝為適合礦井的高效封孔工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)高地應(yīng)力松軟煤層鉆孔成孔困難的影響因素進(jìn)行了多方面分析，松軟煤層鉆孔很容易發(fā)生整體縮孔、局部塌孔，進(jìn)而導(dǎo)致卡鉆、退桿困難。

2）針對(duì)礦井原鉆孔水力排渣施工工藝存在的問題，提出螺旋鉆進(jìn)自排渣的鉆孔施工工藝，有效減弱了噴孔和垮孔，成孔效果顯著。

3）針對(duì)礦井原封孔工藝效果差的問題，研究了新材料徑向膨脹主動(dòng)承壓式注漿封孔工藝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析可以看出，新材料徑向膨脹主動(dòng)承壓式注漿封孔工藝效果明顯，瓦斯抽采濃度明顯提高。參考文獻(xiàn)：

[1]蘇國(guó)青.1304工作面瓦斯抽采問題分析及技術(shù)優(yōu)化措施[J].江西煤炭科技，2020（1）：89-91.

[2]王 超，張雷林，翟文杰，等.五輪山煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔工藝優(yōu)化研究[J].煤炭技術(shù)，2019，38（5）：99-101.

[3]郝明躍，施 宇，張加齊，等.瓦斯抽采鉆孔成孔和非凝固恒壓漿液封孔方法及應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，35（4）：227-228.

[4]陳 勇.不同封孔工藝對(duì)穿層鉆孔瓦斯抽采效果影響的試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2017，49（11）：99-101.