采煤工作面破碎圍巖底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術

劉紅星 賈博宇

（河南能源義煤集團，河南 義馬 472300）

新義礦為煤與瓦斯突出礦井，目前所有工作面均采用底板巖巷穿層鉆孔（水力沖孔）預抽煤層瓦斯的區域防突措施。但11090 工作面中部底板巷層位在二1 煤層底板下8～10 m 的泥巖層內，巖性破碎，打鉆施工困難，并且砂質泥巖具有遇水易軟化的特性，導致鉆孔封孔時易出現塌孔、碎巖堵塞等現象，瓦斯抽采效果差。為解決該問題，研究提出圍巖壁后注漿和均壓封孔聯動技術[1-5]，提高打鉆和封孔質量，有效控制鉆孔漏氣通道，提高抽采效果。

1 壁后注漿技術

1.1 實施情況

為降低鉆孔施工前漏風通道，開展壁后注漿試驗。根據鉆孔封孔堵塞情況判斷該區域圍巖裂隙主要分布在二1 煤層底板以下2～4 m，為避免漿液進入煤體影響注漿效果，設計注漿鉆孔終孔位置位于煤巖結合面以下3 m 處，主要對圍巖裂隙發育區和破碎帶進行注漿充填加固。鉆孔按奇數和偶數呈雙排交叉布置，控制巷道輪廓線以外20 m 范圍。根據圍巖裂隙發育情況，通過注漿鉆孔對裂隙進行多輪次注漿，使漿液充分充填和膠結圍巖內的裂隙，起到加固和堵漏作用，有效提高鉆孔瓦斯抽采效果。在11090 中部底板巷93～106 組鉆孔區域進行實驗，共施工117 個鉆孔，其中一次注漿鉆孔117 個，二次注漿鉆孔117 個，三次注漿鉆孔31 個，四次注漿鉆孔15 個，五次注漿鉆孔7 個，六次注漿鉆孔3個，七次注漿鉆孔1 個，共注水泥18.8 t。11090 工作面及底板巷示意圖如圖1 所示，壁后注漿示意圖如圖2 所示。

圖1 11090 工作面及底板巷示意圖

圖2 壁后注漿鉆孔示意圖

1.2 注漿流程

（1）注漿鉆孔，每組間距6 m，每組9 個鉆孔。

（2）施工鉆具采用MQT-130 錨索鉆機或YT-28 風動鑿巖鉆機，鉆頭Φ45 mm。

（3）鉆孔封孔采用4 分注漿管（鋼管），長度4 m，為一根2 m 長實管和一根2 m 長花管連接。

（4）注漿管固管方式：4 分注漿管捆扎一根2 m 長囊袋PE 注漿管一起送入孔內，孔口先用水泥封堵（一次固管），封堵長度300 mm，4 分注漿管外露長度150 mm，PE 注漿管進入孔內1000 mm。待一次固管施工24 h 后，進行二次固管施工。利用封孔泵向孔內注漿加固注漿管，水灰比0.8:1，直至注漿管內返漿方可停止注漿固管施工。

（5）二次固管注漿施工結束24 h 后，進行圍巖裂隙注漿加固施工，漿液水灰比為1:0.8。

（6）注漿壓力預設為3 MPa，注漿壓力持續穩定2 min 后，注漿結束。

1.3 效果分析

壁后注漿實施后，2022 年1 月4 日—2 月29日，每7 d 分別對注漿區域和未注漿區域巷道圍巖頂板下沉量和兩幫移近量進行監測和分析發現：未注漿巷道兩個月內巷道頂板下沉量最大值17 mm，兩幫移近量最大值28 mm；壁后注漿段巷道下沉量最大值10 mm，兩幫移近量最大值16 mm，壁后注漿對巷道頂板下沉量和兩幫移近量均有減緩作用。注漿段鉆孔平均瓦斯初始濃度86.6%，抽采48 h 后平均瓦斯濃度72.4%，未注漿段平均初始瓦斯濃度72.6%，抽采48 h 后平均瓦斯濃度60.8%，并且鉆孔孔口漏氣由原來的每組3～4 個鉆孔下降至每組1～2 個鉆孔，鉆孔漏氣率降低21.6%，壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。通過鉆孔窺視儀觀測注漿前、后鉆孔發現，注漿后鉆孔內部較完整，裂隙發育減少，有效降低圍巖頂板下沉量和兩幫移近量，減少巖層裂隙，為施工穿層鉆孔提供有利條件。

2 均壓封孔技術

2.1 實施情況

在實施圍巖壁后注漿后，雖然巖層裂隙有所控制，但傳統封孔工藝依然存在封孔不嚴等情況。為改進封孔工藝，在11090 中部底板巷開展117 個鉆孔均壓封孔試驗，與12030 中部底板巷第二評價單元中122個傳統封孔鉆孔（兩堵兩注）進行對比試驗。均壓封孔技術采用雙負壓進行抽放，利用囊袋式封孔器在抽放鉆孔內形成主、副抽放腔室，在主、副抽放腔室所產生負壓的共同作用下，裂隙內的抽放負壓會二次分布，降低了主抽放腔室與外界的壓差，同時副抽放腔室所產生的負壓會產生屏蔽作用，阻止空氣流向主抽放腔室，從而減少抽放過程中漏風，達到提高瓦斯抽采濃度的目的。鉆孔抽采時布置2趟抽放管路（主抽放管路、副抽放管路），首先采用兩堵兩注封孔工藝將封孔管連接主抽放管進行抽采。兩堵兩注施工完成后，距離孔口2 m 處下一個活動囊袋，囊袋要新穿入一根Φ40 mm 實管，并包裹原Φ40 mm 實管。囊袋注漿結束后，采用氣室注漿管對氣室密閉段進行注漿填充密閉，避免封孔管間隙漏氣，氣室密閉段長度不少于1 m。囊袋注漿壓力0.8～1.2 MPa，注漿頻率1次/秒，達到設定壓力，注漿頻率變緩（2～3 秒/次），方可停止注漿；注漿段注漿壓力0.7～1.2 MPa，原則上要達到1 MPa，提前出現反清水情況可根據實際壓力值情況勻速緩慢注漿，實管內返清水和泵憋停方可停止注漿；漿液水灰比1:2；最低注漿量120 kg，現場以實際為準，不出現返清水和注漿頻率變緩現象，不得停止注漿。均壓抽放瓦斯封孔技術示意圖如圖3 所示，穿層鉆孔平面和剖面如圖4、圖5 所示。

圖3 均壓抽放瓦斯封孔技術圖

圖4 穿層鉆孔布置平面圖 （m）

圖5 穿層鉆孔布置剖面圖（m）

2.2 應用效果

鉆孔施工封孔連抽后，對瓦斯抽采濃度進行了40 d 的跟蹤考察，分別對鉆孔封孔后的初始濃度、第48 小時濃度及10 d、20 d、30 d、40 d 瓦斯濃度的平均值進行對比分析。采用傳統封孔工藝的鉆孔組當月平均抽采濃度20.4%，純流量0.21 m3/min，瓦斯抽采量6 745.26 m3，各鉆孔平均初始濃度為65.6%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為14.8%，濃度衰減較快，表明在初始抽放時存在一定程度的漏風，而且隨著抽放時間的進行，漏風程度進一步擴大。采用均壓封孔工藝的鉆孔組當月抽采濃度46.8%，純流量1.9 m3/min，瓦斯抽采量18 521.26 m3，平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%，比傳統的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%，瓦斯抽采各項指標均明顯提升。

3 結論

（1）通過研究壁后注漿工藝和流程，在11090工作面中部底板巷對圍巖裂隙進行多輪次注漿，充填和膠結圍巖內的裂隙，減少巖層裂隙和鉆孔施工前漏風通道，為穿層鉆孔施工和后期沖孔、封孔等提供保障。

（2）通過對比壁后注漿前后的各項瓦斯抽采數據，注漿段鉆孔平均初始濃度86.6%，抽采48 h 后平均濃度72.4%，而未注漿段平均初始濃度72.6%，抽采48 h 后平均濃度60.8%，并且鉆孔孔口漏氣由原來的每組3～4 個鉆孔下降至每組1～2 個鉆孔，鉆孔漏氣率降低21.6%，壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。

（3）在傳統兩堵兩注封孔工藝基礎上，試驗均壓封孔技術。在主、副抽放腔室所產生負壓的共同作用下，裂隙內的抽放負壓會二次分布，降低了主抽放腔室與外界的壓差，同時副抽放腔室所產生的負壓會產生屏蔽作用，阻止空氣流向主抽放腔室，從而減少抽放過程中漏風。

（4）通過均壓封孔對比試驗發現，采用均壓封孔工藝的鉆孔組當月抽采濃度46.8%，純流量1.9 m3/min，瓦斯抽采量18 521.26 m3，平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%，比傳統的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%，瓦斯抽采各項指標均明顯提升，有效提高封孔質量。

（5）兩種技術聯動后，有效降低鉆孔施工前和封孔后兩類漏風通道，有效提高瓦斯抽采效果。