煤礦瓦斯抽采鉆孔施工技術淺述

李立剛

中煤科工集團西安研究院有限公司

【摘 要】瓦斯煤塵爆炸是我國煤礦的主要災害之一，嚴重威脅并制約著煤礦的生產，因此，瓦斯治理對于煤礦安全生產顯得尤為重要。山西陽泉地區某煤礦屬高瓦斯礦井，煤層透氣性較差，常規的瓦斯治理措施已經不能滿足該煤礦安全生產的需要，因此，需要采取不同的抽采鉆孔布置措施進行瓦斯治理，以提高其瓦斯抽采率，實現煤礦安全生產。

【關鍵詞】鉆孔設計；瓦斯抽采；回采工作面；本煤層；鄰近層

低瓦斯礦井處于正常通風狀態時，井下瓦斯濃度通常不會達到爆炸下限，但受多種因素影響，部分煤層瓦斯含量較低的礦井，仍然多次發生瓦斯超限，甚至發生瓦斯爆炸事故。因此，加強采鉆孔施工技術是非常重要的。

一、基本地質條件

該煤礦地層由老到新依次為奧陶系中統峰峰組（O2f）、石炭系中統本溪組（C2b）、石炭系上統太原組（C3t）、二疊系下統山西組（P1S）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、第四系上更新統（Q2+3）。地層總厚度約為460m，煤系地層厚度約為170m。9號煤層最小埋藏深度60m，最大埋藏深度255m；15號煤層最小埋藏深度130m，最大埋藏深度327m。井田內9號、15號煤層是主采煤層。本井田總體為向斜構造，S1向斜軸位于井田西部，走向近南北向，兩翼傾角不大，傾角一般為5°～8°，在井田內延伸長度約600m。S2向斜軸位于井田中部偏東，走向北東向，兩翼傾角不大，傾角一般為5°～10°，在井田內延伸長度約1700m。另外，該礦井下巷道還發現3條斷層和4個陷落柱。

二、回采工作面抽采鉆孔設計

該礦9號煤層瓦斯涌出量最高的采區（已經開采）回采工作面絕對瓦斯涌出量為13.7m3/min，其中，工作面本煤層瓦斯5.77m3/min；鄰近層瓦斯7.93m3/min.結合全國高瓦斯礦井的抽采經驗，設計本礦井在實施瓦斯抽采時應進行綜合瓦斯抽采。

（一）回采工作面本煤層瓦斯抽采

根據預測，該礦開采9號煤層時，回采工作面本煤層瓦斯涌出量較大，需要進行本煤層抽采。本煤層抽采分為開采層未卸壓抽采和卸壓抽采2種方法。設計對回采工作面本煤層采用未卸壓抽采（預抽）方法。回采工作面布置順層平行鉆孔方式進行9號煤層預抽采，孔間距3m。其主要優點為：可保證該煤層瓦斯預抽的均衡性，能實行邊采邊抽，提高9號煤層瓦斯抽采率。其鉆孔布置方式如下圖1所示：

主要參數：1）鉆孔位置：回風順槽內，距離巷道底板1.2m；2）鉆孔角度：垂直于巷道中線，與工作面平行，水平角上仰約2°～3°（實際生產中需根據煤層賦存情況再作調整）；3）開孔直徑：94mm；4）終孔直徑：94mm；5）鉆孔長度：105m（可根據實際情況調整）；6）鉆孔間距：根據實際抽采經驗及該礦實際情況，結合回采工作面采長、工作面走向長度、工作面產量、鉆孔施工條件等因素綜合考慮，確定該礦9號煤回采工作面預抽鉆孔間距為3m；7）封孔方式：聚氨酯封孔；8）封孔深度：不小于8m；9）封孔長度：不小于1m。

（二）回采工作面鄰近層瓦斯抽采

9號煤層的上鄰近層瓦斯主要是1、2、3、4、5、8號煤層，9號煤層平均厚度大約為2.4m，按照6倍～8倍的采高計算，9號煤裂隙帶高度大約在14.4m以上，根據9號煤層上鄰近煤層的層間距可知，除8號煤層位于冒落帶外，其余煤層均位于裂隙帶中。9號煤回采工作面，在工作面外側尾巷向工作面一側的上鄰近煤層布置傾斜穿層鉆孔，對上鄰近煤層瓦斯卸壓抽采。該傾斜穿層鉆孔最后的終孔位置選擇在3號煤層，并且需超出3號煤層1m。主要參數：1）鉆孔間距：9號煤回采工作面從開切眼往外20m的位置布置1對鉆孔（1個高位鉆孔、1個低位鉆孔），從第1對鉆孔往外每隔30m布置1個高位鉆孔；2）開孔直徑：133mm，經193mm，一次擴孔；3）終孔直徑：193mm；4）鉆孔角度：上仰35°～50°（根據實際情況確定）；高位鉆孔取40°、低位鉆孔取30°；5）鉆孔夾角：垂直二次復用的尾巷中線；6）鉆孔位置：布置在工作面二次復用的尾巷中，鉆孔打至3號煤后且超出3號煤不小于1m；7）鉆孔長度：高位鉆孔長度78m、低位鉆孔長度70m可根據實際情況調整）；8）封孔方式：聚氨酯封孔；9）封孔深度：不小于5m；10）封孔長度：不小于1m。

（三）抽采管路管理

隨著工作面的推進，第一組鉆孔將逐漸 進入卸壓區，實現卸壓瓦斯抽采。隨著工作面繼續推進，第一組抽采鉆孔將逐步報廢，需要將靠近切眼最里段管路逐段拆卸，將端頭用法蘭片密封。工作面開采推進過程中，需要至少提前拆除面前20m內管路，給瓦斯管路管理和工作面生產造成一定影響。為最大程度降低上述工作對正常生產影響，距工作面切眼30m以內鉆孔用軟膠管與抽采管末端相連，抽采管末端特制一段2～3m長的短管，短管設置3～5個變徑三通，與靠近工作面的鉆孔用軟管相連，鉆孔報廢后向前移動短管，保持短管始終在抽采管路的末端。

三、鉆孔機具選擇

（一）鉆機

考慮到本礦井的煤、巖硬度以及鉆孔長度、鉆孔施工等，對本煤層和鄰近層抽采鉆機分別設置：1）鄰近層鉆孔施工鉆機采用國產的ZDY6500LP型大口徑全液壓鉆機。該鉆機扭矩大、多自由度調角機構可實現大角度施工，全液壓傳動能。2）本煤層鉆孔施工鉆機采用國產的ZDY4000L型全液壓鉆機。

（二）鉆桿

可采用φ73mm/89mm直徑鉆桿。鉆桿是將鉆機的動力傳遞給鉆頭，并且將鉆井液引入到孔底，鉆桿在鉆孔中受到扭矩、壓力等的綜合作用，鉆桿材料要求使用抗裂強度不小于55kg/mm2～65kg/mm2，延展率大于12%的無縫鋼管制成。

（三）鉆頭

按照煤巖層的性質和是否需要取芯的不同，選用不同的鉆頭。本煤層瓦斯抽采鉆孔用φ94三翼內凹PDC鉆頭開孔，其孔形光滑、平整便于封孔。鄰近層瓦斯抽采鉆孔采用φ133mm弧角鉆頭開孔鉆至設計深度，后使用φ133/193mm導向擴孔鉆頭擴孔至設計深度。

（四）泥漿泵

泥漿泵用于鉆進時向鉆孔內提供沖洗液，這里選用BW250臥式三缸活塞往復式單作用泥漿泵，該泥漿泵排量可根據孔深需要調節四種擋速。

四、結論

根據本礦瓦斯涌出的特點，結合同類礦井的抽采經驗，本礦應進行綜合瓦斯抽采，對該礦的9號煤層回采工作面使用單側順層平行鉆孔進行該煤層抽采，對鄰近煤層采用傾斜穿層鉆孔進行卸壓抽采，施工后達到了預期的抽采效果。

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