下向鉆孔堵水工藝及瓦斯抽采技術研究

王栓林 趙 晶

(1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市,710054；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

鉆孔抽采瓦斯作為主要技術手段廣泛地應用于礦井瓦斯治理當中，根據采煤工作面開采過程中不同的瓦斯來源，分別進行本煤層、上鄰近層、下鄰近層抽采，對應不同的鉆孔施工方式，主要包括本煤層鉆孔、頂板高位鉆孔和底板下向鉆孔。其中下鄰近層下向鉆孔瓦斯抽采由于排渣排水困難、孔內易積水等問題，嚴重影響抽采效果。

學者們在下向鉆孔煤層瓦斯壓力測定方面開展了大量的研究和實踐，趙晶通過“兩堵一注”水泥砂漿封孔技術使下向涌水鉆孔形成位于裂隙含水層以外的測壓氣室，較好地封堵裂隙含水層，結合測壓鉆孔周圍瓦斯壓力和水壓力曲線分布，消除其對瓦斯壓力測定的影響；許彥鵬等采用雙套管帶壓注漿封孔方法進行封孔測壓，較好地封堵了含水層裂隙、支固松軟圍巖，隔絕了鉆孔測壓氣室與含水層裂隙的連通，成功實現堵水測壓。

另外，下向鉆孔瓦斯抽采技術也有較多應用。皮希宇利用底板下向鉆孔對構造帶進行瓦斯抽采；方有向等通過在被保護層工作面底板抽采巷道內施工下向鉆孔來抽采保護層瓦斯；劉震等通過水力沖煤及低壓注水濕潤軟化煤體來降低煤層地應力、瓦斯壓力，研發了突出煤層群頂板巖巷下向穿層鉆孔綜合水力化防突技術；單佳勇在深井強突出煤層的頂板巷施工下向穿層鉆孔進行瓦斯預抽；石必明等基于封堵壓氣排水原理，提出封堵注漿、護孔、“兩堵一注”封孔方式及排水技術，實現下向鉆孔的高效抽采；童碧針對常規下向穿層鉆孔松軟煤層卸壓、增透和抽采效果差的問題，研究了下向鉆孔水力割縫施工流程、工藝和下向鉆孔“分組分排吹”的排水排渣工藝。

朱家店煤礦4#煤層在開采過程中有大量瓦斯從下鄰近層溢出到工作面，需要采用下向鉆孔抽采；同時，下鄰近層中還存在承壓含水層的問題。因此，本文主要研究下向瓦斯抽采鉆孔遭遇承壓含水層后發生突水后的應急堵水工藝技術，提出有效的預防措施和方法，并對下向鉆孔抽采效果進行分析。

1 礦井概況

1.1 礦井煤層及生產概況

朱家店煤礦位于山西省呂梁市中陽縣金羅鎮，井田面積17.152 km2，礦井批準開采3#～10#煤層，設計生產能力為120萬t/a，服務年限為73 a，屬高瓦斯礦井，主要可采煤層為4#、5上#、6#、9#、10#煤層。

4#煤層位于山西組中下部，上距K4標志層約45 m左右，厚度0～2.28 m，平均厚度1.1 m，傾角2°～7°，結構簡單，一般不含夾矸，屬全區較穩定大部可采煤層，局部尖滅而缺失。5上#煤層位于山西組下部，上距4#煤層約15 m，厚度0～1.70 m，平均厚度0.93 m，結構簡單，為全區大部分可采的穩定煤層。6#煤層位于L5石灰巖之下，太原組上部，與L5之間發育一層薄泥巖，有時L5為煤層的直接頂板，上距5上#煤層約15 m左右，厚度0～1.76 m，平均厚度1.34 m。

目前朱家店煤礦主采4#煤層，煤層瓦斯含量4.6～11.4 m3/t，百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數0.0968 d-1，原始煤層透氣性系數0.2382 m2/(MPa2·d)，屬低透氣性煤層。煤層自然傾向性為II級，屬自燃煤層，煤層具有爆炸性。礦井地質類型為簡單一類，水文地質類型為中等。

0401綜采工作面為4#煤層南翼一采區首采工作面，底板標高+620～+760 m，煤層埋深540～300 m，工作面走向長度120 m，傾向長度1050 m，工作面采用傾斜長壁后退式采煤法、綜合機械化采煤，一次性采全高，全部垮落法管理頂板。

1.2 礦井帶壓開采情況

帶水壓開采主要指采掘工程位于煤層底板含水層的承壓水位以下的一種作業狀態，處于奧灰承壓水位以下的煤層開采屬于帶壓開采，當奧灰含水層受大氣降水補給明顯時，帶壓區的范圍會發生一定的變化。

礦井井田內奧灰水水位標高805.50～808.00 m，4#煤層底板標高在560～920 m之間，主采4#煤層底板標高在808 m以上的為不帶壓區，底板標高在808 m以下的為帶壓區，分析可知0401綜采工作面屬于帶壓開采。

2 下向鉆孔抽采方案

4#煤層回采時鄰近層瓦斯涌出量占整個回采瓦斯涌出的比例較大，并且在回采過程中，大量瓦斯涌出到工作面，嚴重影響0401工作面的安全回采，有必要對下鄰近層瓦斯進行抽采。設計沿0401材料巷右幫向下施工?94 mm的穿層鉆孔，終孔位置設計位于4#煤層底板以下10 m，鉆孔布置及設計參數如圖1所示。

圖1 下向鉆孔布置

3 下向鉆孔堵水工藝及抽采效果

在施工過程中，受地層厚度變化、L5石灰巖隔水層變化、采動裂隙發育、鉆孔施工參數定位精度、鉆機鉆桿自重撓度等因素影響，在施工216號下向鉆孔過程中出現鉆孔涌水現象，孔口水柱噴射水平距離為3.6 m，高度3.0 m，水柱可以噴到對側巷幫。

3.1 下向鉆孔堵水工藝

鉆孔涌水出現后，施工人員迅速停止鉆進，停鉆后，連續三班觀察水量和水壓衰減情況，待水量和水壓降低到孔口后，退鉆桿，并用事先準備的材料進行封堵。下向鉆孔堵水情況如圖2所示。具體步驟如下：

圖2 下向鉆孔堵水示意

(1)將干海帶纏繞在一端焊接有?80 mm圓盤，另一端有法蘭、長度3 m的?50 mm鐵管上，并用12號鐵絲捆綁固定。

(2)將?50 mm鐵管送入涌水孔內。

(3)干海帶遇水后膨脹，待水逐漸從?50 mm鐵管管口涌出，同時將水泥和以3∶1的水灰比速凝劑參量8%灌入孔內，孔口灌滿后停止灌漿。

(4)水泥凝固24 h以后，孔口用干水泥和速凝劑封口。

(5)孔口凝固好后，?50 mm鐵管通過法蘭連接一個打開的DN50閘閥，帶螺絲緊固之后，關閉DN50閘閥，完成下向鉆孔封堵。

216號下向鉆孔封堵后對其進行觀測，回采期間未出現滲水、漏水現象。

3.2 下向鉆孔抽采效果分析

對0401綜采工作面瓦斯涌出構成進行分析，表明下向鉆孔抽采量占到整個工作面瓦斯涌出量的4.88%，具體情況見表1。

對朱家店煤礦0401綜采工作面1#～80#支架每隔5架檢查溜槽底、支架后和支架頂3個位置的瓦斯，隨著回采工作面的推進，溜槽底部瓦斯分布情況見圖3。施工底板下向鉆孔抽采以來，0401回采工作面底板瓦斯濃度2%以上的大幅減少，無瓦斯濃度4%以上出現，瓦斯超限次數也大幅下降。

表1 0401工作面瓦斯涌出構成分析表

圖3 回采期間0401工作面底板瓦斯濃度分布

4 結論

(1)下向鉆孔抽采可以有效降低近距離煤層群開采過程中下鄰近層的瓦斯涌出，但在帶壓開采煤層中要謹慎采用，避免出現抽采鉆孔涌水危險，威脅工作面回采。

(2)下向抽采鉆孔存在涌水危險的位置，要提前制定專項安全技術措施，備好相關封堵材料，采用簡單易行的封堵工藝，并及時觀察鉆孔封堵后的滲漏情況。

(3)為防止下向鉆孔穿透或導通帶壓含水層，應做好地質分析，明確含水層的準確位置，需留足隔水層厚度。

(4)強化下向鉆孔施工工藝，采用鉆孔窺視等先進設備和儀器跟蹤測定鉆孔施工軌跡，實現鉆孔的精確施工。