掏穴鉆頭煤層段擴孔快速消突技術試驗研究

摘要：針對穿層掩護鉆孔及石門揭煤鉆孔快速消突問題，提高預抽效果，縮短預抽時間。在潘一礦西一采區-530～-630m軌道斜巷上部車場試驗了掏穴鉆頭煤層段擴孔快速消突技術。試驗通過對瓦斯壓力、瓦斯抽采兩個指標的綜合分析考察，最終確定掏穴鉆孔施工的有效影響半徑可以達到5m，抽采半徑3m以上。

關鍵詞：掏穴鉆頭；煤層段；擴孔快速消突技術；瓦斯壓力；瓦斯抽采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD713 文章編號：1009-2374（2015）33-0147-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.079

為了解決穿層掩護鉆孔及石門揭煤鉆孔快速消突問題，提高預抽效果，縮短預抽時間，在潘一礦西一采區-530～-630m軌道斜巷上部車場試驗了掏穴鉆頭煤層段擴孔快速消突技術。該技術使鉆孔煤層段孔徑由原來的∮133mm擴大為∮260mm，增大了鉆孔煤層暴露面和鉆孔卸壓范圍，增加了單孔抽采半徑。下面對該技術的試驗過程及初步取得的效果進行了分析總結。

1 試驗區工作面概況

1.1 試驗巷道簡介

-530～-630m西一軌道斜巷位于潘一礦西一采區，是潘一礦二水平延伸主要運輸提升巷道，該巷道自西一運輸石門開窩，沿310°方位施工，其中上平巷183m，標高為-526m，施工上平巷段過程中曾揭13-1煤層，該區段13-1煤層標高為-522～-530m。

1.2 試驗巷道瓦斯地質情況

1.2.1 該區段巷道所掘主要巖性為：試驗巷道頂板距13-1煤底板法距5～7m，13-1煤底板主要巖性為中砂巖、泥巖及12煤。

1.2.2 區段地質構造：該區段煤巖層產狀為232°～236°∠6°～7°。

自西一運輸石門開窩點向前33m，巷道揭露13-1煤。

1.3 試驗巷道瓦斯情況

該區段13-1煤層厚度5.0～5.5m，原始瓦斯含量9～11m3/t，瓦斯壓力1.3MPa，自燃發火期3～6個月，煤塵爆炸指數37%～40%。

由于該段巷道于2004年4月已安全揭穿13-1煤層，當時共施工64個揭煤措施鉆孔，鉆孔控制到巷道周邊輪廓線外10m。根據此次打鉆取樣化驗分析，經計算得出目前該處13-1煤層瓦斯含量為2.8m3/t。

2 施工鉆孔所需設備

鉆機：ZDY-3200S型煤礦用全液壓坑道鉆機，屬于低轉速、大轉矩類型，適于采用復合片鉆頭施工大直徑鉆孔，主要用于煤礦井下施工近水平長距離瓦斯抽放鉆孔，也可用于地面和坑道近水平工程鉆孔的施工，因此在該處施工時我們選用ZDY-3200S型鉆機。

3 掏穴鉆孔設計及施工

3.1 掏穴工藝試驗鉆孔設計

根據現場狀況，本次試驗共分三個階段：

第一階段：在巷道左幫沿250°方位線，分別選取傾角為10°、15°、20°范圍、孔深為30～40m范圍鉆孔進行試驗。

第二階段：在巷道左幫沿250°方位線，分別選取傾角為50°、40°、30°、25°范圍、孔深為20～30m范圍鉆孔進行試驗。

第三階段：在巷道左幫沿250°方位線，分別選取傾角為5°、0°范圍、孔深為50～60m范圍鉆孔進行試驗。

通過以上三個階段對不同傾角、不同角度范圍的鉆孔進行掏穴鉆頭擴孔試驗，以試驗出不同角度鉆孔施工時，側翼鉆頭孔內打開情況及擴孔效果如何，在施工工藝及設計上有哪些難點，并使以上傾角鉆孔的施工工藝更加成熟。以上傾角鉆孔使用單翼掏穴鉆頭均試驗成功。

3.2 掏穴鉆孔實際施工

從8月9日早班開始至24日夜班，我們在西一-530～630m軌道下山上部車場共施工了31個掏穴鉆孔，全部施工成功。由此可以得出結論，單翼掏穴鉆孔適用于傾角≥0°、孔深60m以內范圍的鉆孔。

4 掏穴鉆孔施工工藝及注意事項

第一，鉆孔鉆進期間必須做到先開壓力風（水）后鉆進，先停壓力風（水）后撤鉆。

第二，先使用∮133mm孔徑鉆頭，按照設計要求施工至過13-1煤，見頂0.5m左右。

第三，鉆進時要輕壓慢鉆（鉆速控制在50～92r/min之間），控制給進壓力（給進壓力控制在5MPa左右），保證鉆孔平直，鉆機工作業期間要經常觀察風表、油表壓力變化情況。認真準確記錄鉆孔見煤巖情況，判清鉆孔過煤段層位。排盡孔內煤巖粉后方可撤鉆。

第四，使用掏穴鉆頭（∮260mm孔徑）擴孔實驗前，先在孔外安裝上掏穴鉆頭實驗壓力風（水）壓力狀況，確定是否能正常打開鉆頭側翼。待確認正常后方可下入孔內。觀察并記錄壓力風（水）壓力變化情況。

第五，開始擴孔鉆進前，先把掏穴鉆頭不帶風（水）送入孔內見煤段100mm以上，然后緩慢開啟壓力風（水），鉆桿只旋轉不給進，待掏穴鉆頭側翼完全打開后，方可正常擴孔鉆進。鉆進時要輕壓慢鉆，控制給進壓力，確保鉆孔擴孔段施工質量（給進壓力控制在0～6MPa之間）。

第六，旋轉鉆進施工前人員使用瓦斯便攜儀測量掌握孔口風排瓦斯濃度變化情況，待壓風全部打開，孔口瓦斯濃度≤0.5%時，方可開始旋轉鉆進施工。每擴孔鉆進1～2m，都必須用瓦斯便攜儀檢查孔口風排瓦斯濃度。

第七，掏穴鉆孔施工期間詳細記錄每個鉆孔掏孔前后掏出煤量，用編織袋或礦車度量。

第八，待過煤段施工完畢后，擴孔鉆頭不給進，保持旋轉2分鐘以上，待把孔內煤渣排盡，確保孔內無遺煤后，先停止旋轉，再停止風（水）供給，待側翼鉆頭復位后，方可緩慢撤鉆。

5 掏穴鉆孔效果考察

5.1 考察方案

本次試驗主要考察以下方面：掏出的總煤量、掏穴排放瓦斯量及考察掏穴有效影響半徑。考察方法采用瓦斯壓力的變化和瓦斯抽采量的變化進行考察。endprint

此次共設計2組考察孔，每組3個孔，瓦斯壓力考察孔距掏穴孔距離分別為5m、8m；瓦斯抽采考察孔距掏穴孔距離分別為3m、5m。

5.1.1 壓力考察孔（抽采考察孔）。

5.1.2 壓力考察孔施工：（1）先用Ф133mm鉆頭鉆進5m深后，沖凈孔內巖粉，退出鉆桿，下Ф108mm孔口管5m。孔口管下入孔內后及時用木楔進行固定，將木楔用錘砸實，保證足夠的摩擦力，同時用鐵絲將孔口管與巷道內金屬網或錨索聯在一起，防止孔口管下竄傷人；（2）將2m長的Ф20mm的注漿管下入孔內，外露200mm，然后用注漿泵向孔內注水泥漿（水∶水泥∶速凝劑=1∶0.75∶0.1），待漿液注滿為止；（3）待漿液凝固24h后，用Ф75mm鉆頭經定位后正常鉆進，鉆進到距煤層1m時立即停鉆并撤鉆，然后進行注水泥漿（水∶水泥∶速凝劑=1∶0.75∶0.1）封堵巖層裂隙，注漿終壓穩定在12MPa后停止注漿；（4）待水泥漿凝固16小時，用Ф75mm鉆頭掃孔鉆進，并穿過煤層見巖0.5m左右撤鉆，退出鉆桿，即可進行煤層瓦斯壓力測定。

5.1.3 抽采考察孔施工：（1）使用∮113mm孔徑鉆頭，按照設計要求施工至過煤，見巖0.5m左右撤鉆，立即封孔并合茬抽采；（2）抽采考察孔封孔要求：鉆孔下2寸抗靜電塑料管8m，同時在孔壁與套管之間插入一根Ф20mm的注漿管，塑料管下入孔內后及時用木楔進行固定，將木楔用錘砸實，保證足夠的摩擦力，同時用鐵絲將塑料管與巷道內金屬網或錨索聯在一起，防止巖芯管下竄傷人。封孔材料為水泥漿（水灰比為1∶0.75），封孔時將注漿管用高壓軟管與注漿泵連接。下封孔管和封孔過程中人員不得正對孔口進行操作。

5.1.4 在線監測系統。為考察掏穴鉆孔工藝在礦井煤層消突方面的效果，確保考察期間瓦斯抽采數據的真實性、連續性，在西翼軌道斜巷上部車場建立一套防突在線監測系統，實現信息化管理。

5.2 本次試驗效果考察

5.2.1 考察掏出總煤量的大小。詳細記錄每個鉆孔掏孔前后掏出煤量，用編織袋或礦車裝累計計算掏出煤量。

5.2.2 考察掏孔排放瓦斯量。每次掏孔前、后分別對鉆后瓦斯傳感器進行考察，后又結合鉆孔穿煤期間的打鉆探頭瓦斯報表，根據通風區測量該巷道風量，對比計算掏出的瓦斯量。

5.2.3 掏穴鉆孔有效影響半徑考察。考察方法采用瓦斯抽采量的變化和瓦斯壓力的變化進行考察。

此次共設計2組考察孔，每組3個孔，選擇K1、K2號孔作為掏穴鉆孔有效影響半徑試驗被試驗孔，考察孔為Y1、Y2、C1、C2（“Y”代表測壓，“C”代表抽采）。

第一，利用瓦斯壓力考察。

施工順序：施工考察孔（孔號：Y1、Y2）→封孔測壓→在線觀測壓力→壓力穩定→施工掏穴孔（孔號：K1）→觀測掏穴后考察孔（孔號：Y1、Y2）壓力變化情況。

在施工考察孔（孔號：Y1、Y2）時，由防突人員分別取11-2煤層的煤樣一份，煤樣重量不少于3.5kg，煤樣取好后及時送集團公司通風實驗室做全面分析化驗。

經考察，實測瓦斯壓力為0.33MPa，在距瓦斯壓力孔5m位置的掏穴孔施工后，瓦斯壓力降為0.02MPa，即此次掏穴試驗鉆孔的有效影響半徑可以達到5m。

第二，利用鉆孔流量法考察。

施工順序：施工考察孔（孔號：C1、C2）→封孔并安裝孔板→施工掏穴鉆孔（孔號：K2）→掏穴前瓦斯流量→掏穴中瓦斯流量→掏穴后瓦斯流量。

鉆孔流量考察：采用2寸孔板流量計對C1、C2抽采考察孔抽采負壓、濃度、壓差等參數在掏穴孔施工前后每2h測量一次，抽采考察孔抽采參數變化情況考察。

通過考察發現，C1抽采考察孔（與掏穴孔平距5m）在掏穴孔施工前后，抽采濃度、壓差沒有明顯變化；C2抽采考察孔（與掏穴孔平距3m）在掏穴孔施工后抽采濃度由23%增加到了46%，增加了1倍，抽采混合量由0.15m3/min增加到0.21m3/min，增加到原來的1.4倍，掏穴孔施工8h后，抽采純量上升到原來的2倍，掏穴孔施工24h后，抽采純量上升到原來的3倍。

C1考察孔距掏穴孔5m，C2考察孔距掏穴孔3m。由以上考察數據可得，即此次掏穴試驗鉆孔的有效影響半徑可以達到5m，抽采半徑3m以上。

6 初步結論

第一，掏穴鉆孔在傾角≥0°、孔深60m以內范圍的施工工藝已比較成熟，關鍵在鉆孔保直上還需完善。

第二，通過對瓦斯壓力、瓦斯抽采兩個指標的綜合分析考察，最終確定掏穴鉆孔施工的有效影響半徑可以達到5m，抽采半徑3m以上。

7 下步打算

第一，孔深在60m以上的掏穴鉆孔，進一步完善巖石段鉆孔的保直工藝。長鉆孔的快速保直施工，是決定掏穴鉆頭能否順利進入孔內煤段的主要因素，也是決定施工進度的瓶頸問題。

第二，繼續試驗下向鉆孔的擴孔工藝，在所有施工頭面進行推廣。

第三，繼續試驗不施工導向鉆孔、直接進行擴孔的工藝，并通過鉆孔測斜來對鉆孔進行校正。

第四，掏穴鉆頭二次煤層段擴孔施工，如何處理孔內積聚瓦斯，避免鉆孔瓦斯事故發生，是影響鉆孔安全施工的重要因素。

作者簡介：邰兵（1975-），男，山東棗莊人，淮南礦業集團地質勘探工程處潘一東項目部副經理，助理工程師，研究方向：煤礦瓦斯治理。

（責任編輯：蔣建華）endprint