煤層大直徑鉆孔瓦斯治理技術研究與應用

李 飛，薛彥平，趙凱凱，劉向前

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048012)

煤礦瓦斯災害時刻威脅著礦井的安全生產，研究人員在煤層瓦斯賦存機理、煤層預抽、抽采巷設計、抽采工藝等方面進行了大量的研究和實踐[1-4]，張海權，石浩，侯國培等學者通過采用高位定向長鉆孔代替高抽巷治理采空區瓦斯[5-7]，在裂隙帶內使用定向鉆機施工定向鉆孔主孔后，通過開分支孔擴大瓦斯治理范圍，解決了回采期間瓦斯超限問題。張超林等學者[8]采用模擬試驗等手段，分析鉆孔參數對瓦斯抽采效果的影響，抽采時間隨鉆孔數量的增加呈冪函數降低，對回采工作面瓦斯治理具有借鑒意義。針對U型通風上隅角和采空區瓦斯超限問題[9-11]，采用超大直徑鉆孔(?550mm)采空區瓦斯抽采技術，鉆孔間距設置為15～20m抽采效果較為理想，實測表明上隅角瓦斯控制在0.25%～0.35%，效果顯著。

在大直徑鉆孔瓦斯抽采相關領域，祝釗[12]對大直徑套管鉆進一次成孔技術進行了研究；高艷忠[13]研究了松軟煤層不提鉆直接下篩管鉆孔護壁技術，可以有效提高成孔率；劉春剛等[14]研究了大直徑鉆孔套管強度對瓦斯抽采的影響；陳久福等[15]對鉆孔內下套管瓦斯增透技術進行了研究；謝生榮等[16]提出尾巷超大直徑管路(?1200mm) 橫接采空區密閉抽采技術，上隅角瓦斯降低到0.9%以下，瓦斯尾巷達到1.7%以下，實現了工作面安全回采，瓦斯治理效果顯著。

1 礦井概況

王坡煤礦為高瓦斯礦井，設計生產能力為3.00Mt/a，井下布置兩個綜采放頂煤工作面。3310回采工作面，巷道斷面設計寬度5.2m，高度3.5mm，開采3#煤層，放頂煤開采，采放比1∶0.9，地質構造簡單，煤層厚度4.1～6.7m，平均厚度5.5m，硬度f=1.8，煤層節理、裂隙較不發育。

王坡煤礦回采工作面主要采用“U型通風+橫川埋管”相結合方式治理上隅角和采空區瓦斯，受采掘接替緊張影響，橫川施工工期長(炮掘)，工程量大(長度36m、間距50～60m)，當橫川貫通時，存在角聯通風，需要頻繁調整通風系統設施，同時工作面回采期間，橫川埋管密閉墻受采動影響維護成本高，如何降低橫川掘進工程量，找到一種取代橫川埋管方式治理上隅角和采空區瓦斯的方法，是王坡煤礦回采期間瓦斯治理面臨的主要難題。因此，結合王坡煤礦回采期間瓦斯抽采現狀，研究提出了煤層大直徑鉆孔瓦斯治理工藝，降低了橫川埋管對采掘接替的影響，有效解決了上隅角和采空區超限問題，為回采期間工作面瓦斯綜合治理提供借鑒意義。

2 大直徑鉆孔瓦斯治理技術

2.1 鉆機簡介

采用煤科集團沈陽研究院有限公司自主研發的ZDJ10000L型煤礦用履帶式坑道鉆機[10]，該鉆機配套?550mm鉆頭，采用銷子插接方式連接?426mm螺旋鉆桿，跨刮板輸送機作業，通過旋轉排渣方式進行大直徑鉆孔施工。該鉆機具有扭矩大、可靠性強、鉆進效率高等特點，目前在山西多個煤礦進行試驗應用，總體安全性能良好，經濟效益顯著，鉆機主要參數見表1。

表1 鉆機主要參數

2.2 鉆孔布置方式

鉆孔布置在區段煤柱內，垂直于煤壁(或向左傾斜1°～3°)進行施工，為了便于施工排渣和孔口瓦斯管理，采用右旋螺旋鉆桿排渣方式，下行鉆孔施工(開孔側低于透孔側)，沿著煤層傾角鉆進(俯角)，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置

2.3 鉆孔參數設計

王坡煤礦主要采用橫川埋管抽采方式治理上隅角瓦斯，橫川間距50～60m，每個橫川內部埋設4根(?426mm)抽采管(等效每根管路有效覆蓋15m)，考慮到井下施工條件和提高上隅角瓦斯抽采效率，鉆孔間距設計為10m，鉆孔垂直于煤壁施工，沿著煤層傾角鉆進，下行鉆孔，鉆孔主要參數見表2。

表2 鉆孔主要參數

2.4 鉆孔施工工藝

1)準備工作：大直徑鉆機一般靠近煤幫0.5m左右，跨刮板輸送機作業，鉆機下方鋪設木板，四周采用液壓支撐腿固定，穩固鉆機后，按照鉆孔設計參數要求調整鉆頭開孔角度和高度，同時檢查鉆機運行狀態，準備鉆進。

2)鉆進工藝：閉合開關→降低油壓→開孔工序→調整角度、油壓→鉆進與排渣→推鉆桿→停止旋轉→卡緊鉆桿→拔插銷→接續鉆桿→松開卡鉆→鉆進與排渣→接續鉆桿循環→貫通。整個鉆進過程，受鉆機震動影響，及時調整鉆機旋轉主軸與鉆孔同心，時刻留意鉆進角度是否與設計一致，按照設計鉆孔參數進行施工，依次循環鉆進，逐根接續鉆桿，直至貫通，同時做好孔口瓦斯防控，確保施工安全。

3)退鉆工藝：待鉆孔貫通后，排凈孔內煤渣，按鉆進反程序，逐根退出鉆桿，并碼放整齊，同時加強透孔側瓦斯防治工作。

4)下護孔管：當鉆桿全部退出后，開孔側安裝導向頭，尖頭朝前，采用鉆機頂推裝置推進，依次逐根采用插接方式推進護孔管，直至鉆孔全程下管，在透孔側回收導向頭，在鉆孔兩端分別安裝法蘭導向管和堵盤，同時按照礦方“一通三防”有關規定，做好大直徑鉆孔孔內瓦斯預抽工作。

5)封孔工藝：采用“兩堵一注”方式進行封孔，按照設計要求連接管路，保證氣密性。

6)尾工：鉆機停機閉鎖，檢查維修，清理現場和標準化工作，同時做好移動鉆機到下一鉆孔施工準備工作。

鉆孔施工工藝流程如圖2所示。

圖2 鉆孔施工工藝流程

2.5 鉆孔封孔工藝

大直徑鉆孔主要用于工作面上隅角和采空區瓦斯治理工作，在后續應用中主要起到瓦斯抽采通道(相當于管路)的作用，因此，必須對鉆孔兩側進行封孔工藝。注漿泵采用2ZBQS-6/12型氣動注漿泵和配套封孔材料(AB液，比例1∶2)，注漿壓力不小于4MPa，封孔采用“兩堵一注”方式，“里堵”和“外堵”采用人工封堵(袋裝封孔劑)，護孔管底部埋設4分注漿管，開孔側封孔長度5～10m，透孔側封孔長度不小于5m，保證封孔質量。

2.6 抽采管路布置

考慮到后續抽采工序，安裝護孔管時，在鉆孔兩端各安裝一根帶法蘭的護孔管，透孔側安裝堵盤封緊，待回采時打開法蘭盤螺栓對瓦斯進行抽采；開口側通過法蘭、彎頭、高壓膠管等，與工作面低負壓抽采管路(?630mm)相連。封孔完畢后即可對鉆孔進行預抽排瓦斯工作，抽采系統如圖3所示。

圖3 抽采系統

在工作面回采期間，根據工作面推進位置及時打開上隅角處對應鉆孔堵盤(透孔側)，當上隅角瓦斯濃度較高時，可以通過接管方式連接工作面前方鉆孔，達到聯合抽采上隅角瓦斯效果。根據工作面推進速度和瓦斯涌出情況，適當調整各個鉆孔閥門大小，有針對性的、分時段和區域性綜合治理瓦斯，進而實現上隅角和采空區瓦斯綜合治理。

3 瓦斯抽采效果評價

結合工作面地質構造和礦方生產安排，大直徑鉆孔在3310綜采工作面進行了試驗性研究，施工地點在3308運輸巷內，距切眼150m，由3308運輸巷向3310回風巷進行鉆孔，試驗區間為400m，鉆孔間距設計10m，鉆孔長度36～40m(煤柱36m)，共計施工鉆孔38個。

3.1 瓦斯抽采效果分析

大直徑鉆孔間距為10m，隨著工作面不斷推進，上隅角和后方采空區處大直徑鉆孔為主要抽采鉆孔，根據王坡現場瓦斯治理經驗，采空區后方工作面回采期間，視瓦斯集聚程度適當調節各個鉆孔球閥開關，形成工作面 “U型通風+大直徑鉆孔”瓦斯治理體系，達到上隅角和采空區瓦斯綜合治理目的，回采期間工作面風流如圖4所示。

圖4 工作面風流

當工作面推進到圖中8#孔位置時，考慮到上隅角處大直徑鉆孔(8#)透孔位置高度較低(越靠近巷道上方越利于抽采上隅角瓦斯)，同時也避免在回風巷由工作面前方大直徑鉆孔向上隅角安裝抽采管路較頻繁而增加工作量(上隅角安裝抽采管路主要是為了解決周期來壓上隅角瓦斯異常涌出問題)，為了提高工作效率，在工作面前方50～60m處大直徑(2#)鉆孔通過接管方式連接到上隅角處，與上隅角處大直徑(8#)鉆孔共同預抽上隅角瓦斯。隨著工作面不斷推進，前期鋪管(連接2#管路)逐段回收；工作面后方100m范圍，視工作面上隅角和采空區瓦斯涌出情況，適當調整大直徑閥門大小，共同治理回采期間瓦斯，形成工作面 “U型通風+大直徑鉆孔”瓦斯治理體系。隨著工作面不斷推進，根據瓦斯實際情況逐步打開工作面前方閥門，關閉采空區后方閥門，依次向前推進。工作面推進到8#鉆孔位置時，每個鉆孔瓦斯抽采數據見表3。

對工作面回采期間各個鉆孔瓦斯濃度進行匯總分析可知：由于工作面不斷推進，不同時間每個鉆孔負責抽采職責不同，閥門調整開啟角度不同，造成瓦斯濃度變化差異性較大，但總體上鉆孔逐漸進入采空區，瓦斯濃度變化呈現增大趨勢。與橫川埋管治理工藝相比，監測采空區內大直徑鉆孔最大瓦斯濃度達到20.74%，較橫川埋管方式提高1.2倍，大大提高了瓦斯治理水平。

表3 各鉆孔瓦斯抽采參數

回采期間，上隅角瓦斯呈現周期性變化規律，變化周期為14m略大于鉆孔間距10m，上隅角瓦斯濃度最大值為0.61%，隨著閥門調節和前方大直徑管路連接共同抽采，上隅角瓦斯濃度迅速下降，這與工作面位置大直徑鉆孔抽采狀態和閥門開啟角度直接相關，工作面上隅角越靠近大直徑鉆孔，抽采效果越好，上隅角瓦斯在0.19%～0.61%范圍波動，整體水平可控，上隅角和抽采支管瓦斯濃度分布曲線如圖5所示。

圖5 瓦斯濃度曲線

抽采支管內瓦斯主要來源于工作面上隅角和采空區聚集瓦斯，受工作面回采位置和大直徑鉆孔閥門開啟程度影響，支管內瓦斯濃度在回采期間波動較大，濃度在4.36%～8.42%區間，目前，按照3310工作面支管平均濃度6.85%，抽采混量按150m3/min計算，瓦斯抽采純量達10.27m3/min，每月平均抽采瓦斯達45萬m3。

3.2 經濟效益分析

對橫川埋管和大直徑鉆孔兩種方式抽采瓦斯成本進行綜合對比分析，其中：橫川沿著煤層頂板布置，間距50～60m，長度36m，斷面3000mm×2600mm，采用錨網支護，每個橫川內布置4根?426mm管路，采用炮掘(0～28m)和風鎬(28～36m)相結合方式掘進。大直徑鉆孔直徑?550mm，下?426mm護孔管，鉆孔間距10m，橫川間距按照60m計算，等同施工6個大直徑鉆孔，大直徑鉆孔前期調試設備需準備1d，每個鉆孔施工2d(準備、鉆進各1d)。

通過分析可知，施工1個橫川，掘進需要13d，密閉需要4d，總工期17d，用工458個；施工6個大直徑鉆孔，需要工期13d，用工318個。因此，在不考慮材料成本情況下，采用大直徑鉆孔抽采工藝工期減少23.53%，用工數減少30.57%，施工大直徑鉆孔經濟效益更顯著。

4 結 論

1)針對王坡煤礦“U型通風+橫川埋管”瓦斯治理過程中橫川埋管工程量大和周期長、回采期間橫川密閉墻維護成本高以及上隅角和采空區瓦斯超限嚴重等問題，提出了煤層大直徑鉆孔瓦斯治理技術，通過在煤層內施工大直徑鉆孔(?550mm)，全程下護孔管(?426mm)，形成回采工作面 “U型通風+大直徑鉆孔”瓦斯治理體系，在回采期間對上隅角和采空區瓦斯進行抽采，有效解決回采期間瓦斯治理難題。

2)試驗效果表明：回采期間，采用煤層大直徑鉆孔瓦斯治理技術，上隅角瓦斯控制在0.19%～0.61%，鉆孔抽采濃度提高1.2倍，抽采支管平均濃度6.85%，抽采純量達10.27m3/min，瓦斯治理效果顯著，同時施工大直徑鉆孔工期減少23.53%，用工數減少30.57%，經濟效益顯著。

3)采用煤層大直徑鉆孔瓦斯治理技術，工藝簡單、成孔速度快、效率高、回采期間通風系統穩定，能有效降低橫川埋管施工量，有效解決了上隅角和采空區超限問題，對類似地質條件瓦斯治理具有借鑒意義。