大采高工作面篩管防治軟煤層鉆孔塌孔技術研究

王翔宇

(山西煤炭運銷集團 長治有限公司，山西 長治 046000)

隨著高瓦斯礦井開采深度的增加[1]，高應力及強荷載的作用使得煤巖體進一步破碎，大范圍高強度開采對煤巖體不停擾動，使煤巖體發生多次擠壓和破壞，在巷道圍巖應力、瓦斯壓力、煤巖體原生裂隙的作用下，鉆孔就會發生塌孔，尤其是在工作面正前方、巷道兩幫應力集中段更甚[2-4]，進而導致抽放瓦斯時間大為縮短，嚴重影響瓦斯抽放效率，解決這一問題最為常用的辦法就是使用篩管對鉆孔進行護壁。本文以中能煤礦2302大采高工作面為研究對象，通過現場試驗，研究在應力集中帶中采用篩管護壁對瓦斯抽采的效果。

1 工作面概況

2302工作面煤層平均厚度約為5.25 m,煤層傾角為-9～5°，工作面采用傾斜長壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面原煤最大瓦斯含量為5.64 m3/t，日產量為8 306.2 t，絕對瓦斯涌出量為17.82 m3/min，煤層普氏系數為1.03，煤層透氣性系數為0.236 m2/(MPa2.d)，工作面正常回采期間采用U型通風方式。

2302工作面本煤層抽采采用順層雙排鉆孔布置方式，其中上排孔采取平行鉆孔的布孔方式，與巷道成90°夾角；下排孔采取斜交鉆孔的布孔方式，與煤壁成65°夾角。下排孔開孔高度與底板的距離為1.5 m，兩排孔之間的距離為0.6 m,間距為6 m,成三花眼布置。鉆孔布置見圖1，鉆孔開孔位置見圖2，鉆孔技術參數見表1。

表1 鉆孔技術參數

由于2302工作面煤層賦存較厚，受大采高開采超前壓力及鄰近采空區側向壓力的影響，本煤層鉆孔塌孔較嚴重，造成鉆孔抽采瓦斯流量及濃度均偏低，因此，決定引進篩管護孔工藝預防本煤層鉆孔塌孔，以提高抽采效率。

圖1 鉆孔布置示意

圖2 鉆孔開孔位置示意

2 篩管護孔工藝

該工藝原理如圖3所示，首先使用大通孔三棱鉆桿(如圖4)配合一字鉸接鉆頭(如圖5)在松軟的煤層中施工抽采瓦斯的鉆孔，當鉆孔進深到設計深度時，再穿過大通徑三棱鉆桿內的通孔將篩管放進去，篩管推開一字鉸接鉆頭橫梁到達底部，這時懸掛裝置(如圖5)通過彈卡卡緊在孔壁上，最后退出鉆桿，將篩管留在孔內，在孔內滯留的篩管將使得瓦斯抽放管道更加通暢。這樣鉆孔的使用周期就會延長，使瓦斯抽放效果更好。

圖3 篩管護孔技術原理

圖4 三棱鉆桿施工示意

圖5 懸掛裝置

3 現場試驗研究

3.1 試驗鉆孔布置情況

為研究篩管護孔對抽采效果的影響，在2302回風巷進行現場試驗測試，選取12個本煤層鉆孔上排孔為研究對象，鉆孔間距為6 m，鉆孔長度為230 m，通過下設不同長度的篩管分析合理的護孔長度，試驗共分4組進行考察，a組：鉆孔全長230 m，下30 m篩管進行護孔；b組：鉆孔全長230 m，下50 m篩管進行護孔；c組：鉆孔全長230 m，用下篩管進行護孔長度達到70 m；d組：鉆孔全長230 m，不下篩管正常封孔。如圖6。鉆孔直徑為94 mm，篩管直徑為32 mm。a、b兩組孔被一個放水器連接，放水器與巷道抽采管路連接；c、d兩組孔被一個放水器連接，放水器再與巷道支管路抽采連接。

圖6 試驗鉆孔布置示意(m)

3.2 現場參數測定

篩管試驗孔和正常鉆孔抽采瓦斯濃度、流量和負壓參數都是通過CJZ70測定儀連續監測一個月，然后收集一個月的數據進行分析，圖7～圖14為4組鉆孔瓦斯混合流量與濃度的變化情況。

圖7 下設30 m篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖8 下設30 m篩管鉆孔瓦斯濃度變化

圖9 下設50 m篩管鉆孔瓦斯流量變化

圖10 下設50 m篩管鉆孔瓦斯濃度變化

圖11 下設70 m篩管鉆孔瓦斯流量變化

圖12 下設70 m篩管鉆孔瓦斯濃度變化

圖13 未下篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖14 未下篩管鉆孔瓦斯濃度變化

3.3 試驗數據結果分析

由圖7-圖14可知：下篩管長度為30 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量達到0.021～0.736 m3/min，平均單孔混合流量達到0.295 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在7%；下篩管長度達到50 m時，本煤層單孔瓦斯抽采混合流量達到0.091～1.800 m3/min，平均單孔混合流量為0.748 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在12%；下篩管長度達到70 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量為0.038～0.96 m3/min，平均單孔混合流量為0.367 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在11%；未下篩管的本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量是0.012～0.435 m3/min，平均單孔混合流量為0.178 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在6%。通過上述數據可以得出下篩管固孔技術能有效提高鉆孔抽采流量和濃度，當篩管長度為30 m時，鉆孔瓦斯流量和濃度提高不是很明顯，說明大部分鉆孔的塌孔深度超過30 m；當篩管護孔長度為70 m時，鉆孔瓦斯流量與濃度相比50 m長度的篩管反而變小，說明大部分鉆孔塌孔深度未超過70 m，篩管越長反而影響抽采效果；當篩管護孔長度為50 m時，單孔瓦斯抽采混合流量提高到4.2倍左右，瓦斯濃度提高到2.0倍左右，說明下設50 m長篩管可有效防治塌孔，提高抽采效率。為了進一步確定篩管護孔選取50 m是否合理，在上述現場試驗的基礎上又增加一組篩管長度為60 m的鉆孔進行試驗，通過現場采集數據繪制出鉆孔瓦斯混合流量和濃度的變化曲線如圖15、圖16所示。

圖15 下60 m篩管鉆孔瓦斯抽采流量變化

圖16 下60 m篩管鉆孔瓦斯濃度變化

通過分析可以得出：當篩管長度達到60 m時，本煤層鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量達到0.134～1.624 m3/min，平均單孔混合流量達到0.759 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在12%左右；相比50 m長篩管鉆孔瓦斯混合流量有小幅度升高但并不明顯，瓦斯濃度與50 m長篩管基本相同，本著經濟合理的原則，建議礦方將篩管護孔的長度定為50 m。

4 結 語

通過對本煤層鉆孔下設不同長度篩管對比研究得出，當篩管長度為50 m時，本煤層的平均單孔混合流量為0.748 m3/min，瓦斯濃度基本穩定在12%，相比未下篩管的鉆孔單孔瓦斯抽采混合流量提高到原來的4.2倍左右，瓦斯濃度提高到2.0倍左右，繼續增加篩管長度到60 m，鉆孔瓦斯抽采混合流量和濃度增加不明顯，本著經濟合理的原則，建議礦方在2302工作面下設50 m長篩管進行護孔。