三軟低透煤層回采工作面快速消突技術

劉瑞杰 李志強 董少科

（安陽大眾煤業有限責任公司，河南 安陽 455141）

1 工程概況

大眾煤礦開采二疊紀山西組二1煤層，煤層平均厚度4.3m，煤層的堅固性系數f為0.26～0.45，屬于典型的三軟低透突出煤層。13051工作面煤炭儲量為47萬t，該區域二1煤層原始瓦斯含量在5.9158～7.8180m3/t之間，瓦斯儲量為367.45萬m3，抽放率按40%計算，需抽出瓦斯量不小于146.98萬m3。

根據礦井生產能力要求、煤層賦存條件和工作面巷道布置及煤層瓦斯賦存和涌出特點等情況，決定13051工作面瓦斯抽采工藝為：

（1）在工作面的上下底板抽放巷布置穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯。

（2）在工作面的上下順槽布置順層孔進行采前預抽。

大眾煤礦工作面以往的瓦斯抽采經驗表明：由于二1煤層煤質軟且層理裂隙較發育，工作面抽采鉆孔變形破壞嚴重，抽采效果不好，需增加抽采時間才能保障抽采達標。因此，需對13051工作面順層鉆孔預抽瓦斯的抽采方案和鉆孔布置方式進行優化設計，以提高工作面瓦斯抽采效果。

2 瓦斯抽采半徑測定

有效抽采半徑指抽采鉆孔在一定的抽采負壓條件下抽采某個時間時，達到消突效果或抽采達標區域的半徑長度[1-3]。從煤礦安全管理角度來講，抽采有效半徑數值對安全生產、鉆孔布置等更具實際操作意義。為了提高抽采效率，需要對13051工作面的瓦斯抽采有效半徑進行測定，為工作面瓦斯抽采設計提供可靠依據，避免盲目布置抽采鉆孔浪費大量人力、物力和增加無謂的工程量。

在13051下順槽輔助巷施工順層鉆孔抽采煤層瓦斯的同時，考察抽采鉆孔的抽采半徑。由于瓦斯抽采鉆孔在抽采時，各鉆孔之間的瓦斯流場為有限源瓦斯流場，隨著時間的推移，鉆孔之間會相互影響，因此，為了真實地模擬鉆孔相互影響下的抽采規律，在試驗區域布置4組鉆孔，組間距為30m，每組施工5個鉆孔。根據礦方以往的抽采鉆孔間距設計經驗，確定此次考察鉆孔布置抽采半徑分別為2.5m、3m、3.5m、4m，即孔間距分別為5m、6m、7m、8m，試驗鉆孔長度均為60m，鉆孔直徑為Φ75mm，開孔高度為1.5m，鉆孔傾角與煤層傾角一致，保證上向或水平孔。順層抽采鉆孔的布置如圖1所示。

圖1 抽采半徑順層考察試驗鉆孔布置示意圖

抽采鉆孔施工完畢后進行封孔，封孔材料為“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔，封孔深度不小于8m，抽采管采用D50mm的PVC管。封孔后將每組鉆孔串接到匯流管并加裝孔板流量計，之后連接到抽采主管路上，利用CJZ70型瓦斯綜合參數測定儀測定并記錄鉆孔組的瓦斯抽采參數，包括抽采負壓、壓差、濃度、溫度、流量等，進而計算百米單孔純量數據。前期15d每1d記錄單孔抽采參數，中期60d每3d記錄一次，后期30d每5d記錄一次。觀測時間為90d左右。

為了得到不同抽采半徑鉆孔組真實的抽采規律，求取每組5個鉆孔的單孔抽采純量的平均值，并換算成百米鉆孔抽采純量，進而將百米鉆孔瓦斯抽采純量與時間的關系擬合成曲線。抽采半徑為2.5m、3m、3.5m、4m的鉆孔組抽采鉆孔純量與時間的函數關系如下，曲線圖如圖2所示。

（1）抽采半徑為2.5m時百米單孔抽采純量與時間函數關系為：

qct=0.0965e-0.021t，R2=0.9842

（2）抽采半徑為3m時百米單孔抽采純量與時間函數關系為：

qct=0.0968e-0.020t，R2=0.9736

（3）抽采半徑為3.5m時百米單孔抽采純量與時間函數關系為：

qct=0.0971e-0.019t，R2=0.9467

（4）抽采半徑為4m時百米單孔抽采純量與時間函數關系為：

qct=0.0973e-0.018t，R2=0.9290

圖2 百米瓦斯流量衰減趨勢圖

按照上述分析，本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽放效果的原則，工作面抽采時間為30d時，合理有效的抽采半徑為2.5m；工作面抽采時間為45d時，合理有效的抽采半徑為3.0m；工作面抽采時間為60d時，合理有效的抽采半徑為3.5m；工作面抽采時間為90d時，合理有效的抽采半徑為4.0m。

3 順層鉆孔防突設計方案

3.1 順層孔參數設計

13051工作面上、下巷掘進同時，向工作面施工順層鉆孔對煤體瓦斯進行預抽。根據《煤礦瓦斯抽采工程設計規范》確定順層鉆孔水平長度應不小于工作面傾向長度1/2[4]，并至少保證上、下順槽鉆孔交叉不得小于10m，確定工作面上順槽鉆孔孔深為80～110m，下順槽鉆孔孔深為90～110m；工作面上順槽、下順槽鉆孔間距設計均為2.4m；開孔位置距離上、下順槽底板約1.6～2.5m；施工鉆孔孔徑為75/94mm；設計鉆孔560個（13051工作面上部的13031工作面下順槽掘進期間已經施工順層鉆孔對距離該順槽下幫80～110m范圍內的煤體進行預抽，即13051工作面上順槽預抽范圍，因此，此次鉆孔數量只包括13051工作面下順槽上幫施工鉆孔）。13051下順槽所施工的所有順層鉆孔保證與13031下順槽下幫所施工的順層鉆孔壓茬不小于10m。

3.2 順層鉆孔全長篩管封孔技術

3.2.1 鉆孔初封工藝

（1）鉆孔初封材料選擇

選用Φ50mmPVC管14m，專用封孔器1套（兩個封孔器、兩袋聚氨酯封孔劑、一卷紙膠帶）、注漿管（上行鉆孔選用8m，下行鉆孔選用2m）、排氣管（上行鉆孔選用12m，下行鉆孔選用2m）。封孔工藝示意圖如下圖4所示。

圖3 13051工作面順層鉆孔布置圖

圖4 全長套管瓦斯抽采封孔工藝

（2）鉆孔初封流程

①封孔器分別安設在封孔管2.5m及12m位置上，封孔器與封孔管結合處兩端用紙膠布纏繞（6～8圈）固定。②上行鉆孔選用排氣管長度12m、注漿管長度8m（排氣管、注漿管連接可采用專用接頭或者膠帶連接固定），在安設第二套封孔器時通過封孔器上預留孔穿入到鉆孔內。排氣管、注漿管穿入鉆孔后需在注漿管和排氣管與封孔管結合纏繞6～8圈，確保注漿管和排氣管結合處不漏氣，然后將封孔管和注漿管、排氣管使用紙膠布每間隔2m與封孔管纏繞固定一次。③下行鉆孔選用排氣管長度2m、注漿管長度2m（排氣管、注漿管連接可采用專用接頭或者膠帶連接固定），在安設第二套封孔器時通過封孔器上預留孔穿入到鉆孔內。排氣管、注漿管穿入鉆孔后需在注漿管和排氣管與封孔管結合纏繞6～8圈，確保注漿管和排氣管結合處不漏氣。

3.2.2 二次注漿封孔工藝

（1）鉆孔注漿封孔材料選擇

選用膨脹水泥1～2袋、攪拌桶1個、2ZBQ-30/3(QZB～50/6)氣動注漿泵1臺。

（2）鉆孔注漿封孔操作程序

①先在攪拌桶內將膨脹水泥和水按重量比1:1.5的比例調配好，以備注漿使用；②將注漿泵水平放置，并將其固定在便于封孔作業的適當位置，合理布置（平鋪）吸排漿管路，避免管路扭曲、打折、交叉等；③打開風源控制閥門，把封孔漿液注入到鉆孔內，直至注漿排氣管出漿方可停止注漿作業；④注漿完成后，要讓注漿泵吸入清水將泵內殘余的漿液清理干凈；⑤待封孔材料凝固4h后聯抽。

3.2.3 鉆孔連接標準

將鉆孔內Φ50mmPVC管通過抗靜電管相連接接入臨近的鉆孔組內，每10個鉆孔為一組。鉆孔連接時要將露出巖壁多余的封孔管截斷，保證三通、球閥、彎頭總長不超過550mm。各硬質管件連接必須完全對接，對接長度不小于50mm，鋼絲軟管與硬質材料連接時至少搭接60mm，并用喉箍上緊固定，喉箍位于硬質材料插入鋼絲軟管50mm處，并在鉆孔上安設一個測壓嘴。

3.3 抽采管路系統布置

13051下順槽順層孔連在一趟Φ250mm的瓦斯抽采管路上，管路安裝路徑為：13031下順槽Φ250mm瓦斯抽采管→13采區回風巷Φ355mm瓦斯抽采管→西風井南翼回風巷Φ355mm瓦斯抽采管→西風井回風巷Φ355mm瓦斯抽采管→地面瓦斯抽采站。

3.4 抽采效果分析

由于13051工作面順層長鉆孔中實施了下篩管的措施，有效控制了鉆孔塌孔堵塞抽采通道的問題。與沒有下套管的13011工作面的瓦斯抽采指標對比，鉆孔瓦斯抽采濃度、流量增大、流量衰減減緩。13051抽采達標時間約為3個月，殘余瓦斯含量達到4.69m3/t，抽采達標時間比13011工作面減少了約40d，保證了13051工作面的瓦斯抽采達標。

4 結 論

大眾煤礦開采的二1煤層屬三軟低透突出煤層，由于煤層煤質軟，順層長鉆孔易塌孔造成回采工作面煤層瓦斯抽采效果不佳。在13051采煤工作面順層長鉆孔采用“全鉆孔套管瓦斯抽采技術”，解決了三軟煤層順層大孔徑長鉆孔易塌孔、抽放效果差的問題。本煤層鉆孔成孔后，采用封孔管+封孔篩管+注漿管+專用封孔器進行封孔，為了防止鉆孔塌孔，篩管直至穿入孔底。該措施確保了抽采達標，并且抽采時間比沒有下套管預計抽采達標時間大幅度減少。