黃陵一礦煤層瓦斯抽采鉆孔成孔技術(shù)實踐

陳 寧 丁志超 路文文

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

利用鉆孔進行瓦斯抽采是目前我國高瓦斯礦井普遍采用的降低瓦斯危險，實現(xiàn)瓦斯利用的有效手段。部分煤層由于煤質(zhì)松軟、瓦斯壓力大等原因，容易出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)、塌孔以及變形速度快、堵塞通道等現(xiàn)象，影響了瓦斯抽采效果[1-4]。為此，提高抽采鉆孔成孔率、減少鉆孔塌孔對提高瓦斯抽采率、實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

陜西陜煤黃陵礦業(yè)一號煤礦1010工作面位于十盤區(qū)東南部，工作面傾斜長度180 m，走向長度2060 m，綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。所采煤層為2號煤，煤層厚1.17～6.70 m，平均5.27 m，煤層傾角2°～10°，平均6°，2號煤為特低硫、特高熱量無煙煤。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 2號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 2號煤瓦斯參數(shù)

煤層的基本瓦斯參數(shù)包括瓦斯壓力、含量、透氣性系數(shù)等，是瓦斯治理的基本要求。為此，采用打鉆取樣、現(xiàn)場實測、實驗室測試等方式確定三采區(qū)2號煤瓦斯基本參數(shù)見表1。

表1 2號煤瓦斯參數(shù)

2 抽采鉆孔穩(wěn)定性分析

2.1 煤層鉆孔失穩(wěn)

黃陵一礦的瓦斯抽采鉆孔布置在本煤層中，鉆進深度為120 m，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔布置示意圖（m）

在鉆孔施工過程中，許多鉆孔出現(xiàn)了垮塌、卡鉆、噴孔等孔壁失穩(wěn)以及壓鉆、卡鉆、響煤炮等情況，成孔深度一般在40～80 m，平均62 m，延長了鉆孔施工周期，降低了鉆進效率，嚴重影響鉆孔瓦斯抽采效果。

2.2 煤層鉆孔內(nèi)應(yīng)力分布

2號煤層的預(yù)抽瓦斯抽采鉆孔布置在煤層中，由表1反算煤層的單軸抗壓強度為7.9 MPa，煤層較為松軟，是造成成孔率低、長度短的主要原因。由于鉆孔的施工，破壞了煤體中的原始應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，達到新的平衡[5-6]。從孔口到孔底可分為四個區(qū)域，如圖3。

表2 部分鉆孔施工情況

圖3 巷道內(nèi)鉆孔應(yīng)力分布

（1）卸壓區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤體受力超過了其極限強度，煤體屈服后進入塑性變形階段。黃陵一礦2號煤普氏系數(shù)低，該區(qū)域的距離相對較長，并且瓦斯壓力梯度小。煤體破碎，產(chǎn)生大量裂隙，瓦斯向臨空面涌出。

在該區(qū)域內(nèi)最容易發(fā)生垮孔現(xiàn)象，但由于裂隙發(fā)育，瓦斯泄漏通道較多，不會出現(xiàn)噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象。

（2）峰后應(yīng)力集中區(qū)

該區(qū)域內(nèi)煤體相對完整，但煤體內(nèi)部開始產(chǎn)生大量的裂隙，并且煤體中的瓦斯鉆孔遷移，游離瓦斯逐漸增多，瓦斯的涌出進一步降低了煤體的強度，煤體進入塑性軟化變形階段。

當(dāng)鉆孔施工至該區(qū)域時，由于卸壓作用，煤體進一步向殘余塑性區(qū)轉(zhuǎn)變。游離瓦斯的不斷涌入使得該區(qū)域內(nèi)的瓦斯壓力相對較高。隨著鉆孔的施工，瓦斯壓力梯度不斷增大，在峰值附近達到最大。當(dāng)應(yīng)力梯度和積蓄的變形潛能超過孔壁煤體的承載能力時，孔壁發(fā)生失穩(wěn)，破壞形式為拉伸破壞。在該區(qū)域內(nèi)尤其是應(yīng)力峰值附近有可能出現(xiàn)噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象。

（3）峰前應(yīng)力集中區(qū)

隨著鉆孔深度的增加，該區(qū)域內(nèi)煤體所承受的垂直應(yīng)力逐漸增加，但沒有超過煤體的極限強度，因此煤體仍處于彈性變形狀態(tài)。該區(qū)域內(nèi)的煤體受孔壁圍壓的作用，裂紋產(chǎn)生較少，煤體滲透率減小。

鉆孔施工至該區(qū)域時，孔壁煤體出現(xiàn)殘余應(yīng)變區(qū)，煤體的應(yīng)力梯度逐漸縮小，孔壁相對穩(wěn)定，一般不會發(fā)生噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象。

（4）原始應(yīng)力區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤體仍處于原始狀態(tài)，煤體賦存狀態(tài)和瓦斯賦存變化相對較小。當(dāng)鉆孔施工至該區(qū)域時，孔壁穩(wěn)定，不會發(fā)生垮孔現(xiàn)象。

以上分析可以看出，卸壓區(qū)最容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象；峰前應(yīng)力集中區(qū)最容易發(fā)生垮孔以及噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象；峰后應(yīng)力集中區(qū)孔壁也容易失穩(wěn)，但噴孔的幾率大大降低；原始應(yīng)力區(qū)的孔壁最為穩(wěn)定。

3 瓦斯抽采鉆孔施工

3.1 抽采鉆孔布置

在1010工作面的回風(fēng)順槽和運輸順槽分別施工扇形順層鉆孔進行預(yù)抽煤層瓦斯。兩順槽內(nèi)每隔50 m施工一個鉆場，每個鉆場內(nèi)施工15個鉆孔，鉆孔開孔間距為0.6 m，終孔間距為3 m，上下兩層布置，鉆孔深度不小于140 m。

3.2 提高成孔長度措施

3.2.1 采用螺旋鉆進和壓風(fēng)排渣技術(shù)

螺旋鉆進技術(shù)是在鉆進過程中利用鉆桿螺旋葉片連續(xù)排屑，采用的是干式成孔，無沖洗液，減少了對孔壁的沖刷，有利于成孔的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的排渣工藝是利用水將鉆屑排出，同時冷卻鉆頭，但對孔壁的影響較大，容易發(fā)生塌孔。壓風(fēng)排渣是利用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿和鉆頭進入孔底，在鉆孔內(nèi)形成具有一定速度的風(fēng)流，將鉆屑吹向孔口。

1010工作面采用的螺旋鉆機型號為ZYW-1900R型，鉆頭直徑為85 mm，鉆孔深度不得低于100 m，最大為160 m，鉆進速度為0.5～1 m/min。

3.2.2 全孔段下篩管工藝

采用大孔徑三“花瓣”形開閉式鉆頭進行鉆孔施工，當(dāng)?shù)竭_設(shè)計深度后，將抽采篩管從鉆桿內(nèi)的通孔下放到鉆孔的最底端，最后退出鉆桿，如圖4所示。該技術(shù)可有效避免因塌孔造成的抽采管難以下放問題，長期抽采效果較好。

圖4 全長篩管安裝示意圖

根據(jù)黃陵一礦2號煤的地質(zhì)條件，并經(jīng)過現(xiàn)場試驗，確定篩管的直徑為50 mm，在孔口預(yù)留18 m的PE管（直徑為75 mm）作為封孔段，剩余鉆孔段全部下放篩管，篩管與PE管之間采用變徑接頭連接。

3.2.3 提前注漿加固

為減少塌孔，在鉆孔施工地點提前對巷道回采幫進行加固，加固范圍為孔口以里15 m范圍內(nèi)。每個鉆場布置5個注漿鉆孔，鉆孔深度為20 m，采用Φ50 mm探水鉆機施工。注漿鉆孔布置如圖5。

圖5 注漿鉆孔布置示意圖（m）

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 鉆孔成孔率

新型ZYW-1900R型鉆機在1010回風(fēng)順槽施工了55個下向孔，鉆孔總計進尺6077 m，平均孔深110.5 m，最大成孔深度達165 m，平均每天進尺為184.2 m。新舊鉆孔的使用對比見表3。

表3 新舊鉆孔使用對比

3.3.2 瓦斯抽采濃度

對鉆孔成孔后4個月內(nèi)的瓦斯抽采濃度進行觀測。采用新型鉆機施工，并且安設(shè)全長篩管的鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓鐖D6。

圖6 瓦斯抽采濃度變化圖

由圖可以看出，在4個月的抽采時間內(nèi)，瓦斯抽采濃度一直保持在70%～80%之間，變化幅度較小，抽采效果好。

4 結(jié)論

（1）瓦斯抽采鉆孔可分為四個區(qū)域，卸壓區(qū)最容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象，峰前應(yīng)力集中區(qū)最容易發(fā)生垮孔以及噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象。

（2）全長篩管護孔瓦斯抽采技術(shù)可以在不回鉆的情況下將篩管下放到鉆孔底部，有利于鉆孔的穩(wěn)定。

（3）通過采用螺旋鉆桿、全長篩管護孔、預(yù)注漿加固等技術(shù)，1010工作面瓦斯抽采鉆孔成孔率明顯提高，長期抽采瓦斯?jié)舛认陆敌?，保證了工作面的安全回采。