順層低濃度鉆孔二次處理技術研究

李 鵬

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

1 現場概況

岳城煤礦為晉煤集團沁秀公司下屬高瓦斯礦井，目前主采3#煤層。礦井現有通風方式為分區通風式，總進風量為20522m3/min，總回風量為20716m3/min，礦井配風量合理，能夠滿足安全生產需要。1309（上）工作面為該礦東翼第九個工作面，其中13091巷和13093巷進風，13092巷和13094巷回風，整個工作面區域配風量2560m3/min，滿足安全生產需求。

1309（上）工作面的瓦斯治理采用千米區域遞進式鉆孔超前抽放，煤質疏松且有軟分層分布的區域采用本煤層順層鉆孔抽放進行瓦斯治理。鉆孔布置為：每組間距為6m，單組18個鉆孔，雙組16個鉆孔，每組鉆孔分兩列布置，列間距3.0m，如圖1。

3#煤層賦存不均衡，部分區域存在煤質疏松且有軟分層分布的情況，鉆孔封孔后經常發生塌孔，導致濃度迅速衰減。同時由于塌孔原因，“兩堵一注”封孔工藝里側封堵不嚴，一旦注漿反而會堵塞鉆孔[1]。因此，需要對順層低濃度鉆孔進行診斷分析，找出順層孔塌孔、低濃度的原因，制定并完善低濃度順層孔下篩管護孔的二次處理工藝，并對護孔后的鉆孔進行后期維護，最大限度地提高順層孔瓦斯抽采效率。

圖1 1308工作面鉆孔布置圖

2 存在問題

（1）在13081巷順層鉆孔試驗下32mm篩管，經過捅孔和揭露后發現篩管內全部被煤粉堵死，說明32mm篩管管徑太小、煤粉太細易堵塞等無法滿足瓦斯抽采需求。

（2）在13082巷順槽試驗螺旋鉆桿機械排渣工藝，因為該螺旋鉆桿接口處易斷開造成掉鉆事故，同時打鉆效率太低，因此無法滿足順層鉆孔長期施工的需求。

（3）目前“兩堵一注”封孔工藝（封孔段為6～10m）容易引起塌孔，無法有效實現孔深處護孔、護管下進和封堵嚴密，一旦注漿極易堵塞鉆孔，造成鉆孔濃度迅速下降。

3 研究內容

本研究主要對1個月內抽采能力降至30%以下的低濃度鉆孔進行診斷分析，找出順層孔低濃度的原因；通過數值模擬，結合現場數據，制定并完善順層孔下篩管護孔工藝，并在1309（上）采面順槽巷道進行抽采鉆孔護孔及二次處理試驗，通過試驗數據研究抽采鉆孔護孔及二次處理試驗的效果。

4 研究方案

4.1 鉆孔護孔試驗

由于大多數順層孔僅在局部構造破壞區段塌孔，因此，需要找出塌孔范圍，僅在塌孔區段進行護孔[2]。同時，由于鉆孔內煤粉在負壓作用下進入護孔管，鉆孔內護孔管抽采一段時間后，護孔管容易被煤粉堵死，大大降低了護孔效果。因此，需要對現有的護孔管護孔方式進行改進。

（1）優化篩管孔眼參數。增加篩管孔眼數量，減少孔眼直徑，防止煤粉在負壓作用下進入篩管。

（2）分段護孔。對順層孔的應力集中段和軟煤段等易塌孔區段采用高強度篩管進行護孔。

（3）增加篩管直徑。采用50mm管代替原有的32mm管，采用插接式連接，增加篩管的有效內徑。

4.2 順層孔施工工藝

順層孔施工采用先注漿封孔后施工順層孔的工藝方法。注漿封孔結束后在孔口套管內施工順層抽采鉆孔?！跋茸{、后封孔”的封孔工藝具體操作步驟為：

（1）采用113鉆頭開孔、240mm鉆頭擴孔施工6m，并下6mPE管（6寸）。在封孔管底部用石膏封堵不少于200mm，孔口用石膏進行封堵不少于400mm。

（2）封孔管與孔壁之間上部安設兩根返漿管，下部安設兩根注漿管。開孔傾角為正時，注漿管在孔口3m處，返漿管下至孔口5m處；開孔傾角為負時，返漿管在孔口1m處，注漿管下至孔口3m處。注漿管和返漿管采用千米鉆孔專用注漿管。

（3）注漿時，將膨脹水泥和水按照0.8∶1（重量比）進行攪拌，并加入少量速凝劑，攪拌均勻后開始注漿[3]。當返漿管開始返漿時，將返漿管扎住并繼續注漿，使注漿壓力達到0.4MPa后停止注漿，將注漿管扎緊?？變冉Y構如圖2所示。

圖2 新工藝孔內結構圖

將套管全部退出后，迅速拆除孔口四通裝置，將一趟2寸臨時負壓管接在孔口。同時卸下鉆頭，將擋泥板安裝在套管前端，將4m預留封孔管（1m短管+3m完整管，其中短管接在末端）下入鉆機上套管內，并在尾部接好二寸負壓管，同時撤掉孔口二寸負壓管，迅速將預留管與孔內封孔管對接。將水泥調成糊狀（水灰比1:1.5），塞在6寸PE管與封孔管之間，用鉆機將擋泥板緩慢送入PE管內，并將塞好的水泥推至PE管底部，退出擋泥板繼續塞水泥至孔口，直至6寸PE管內全部被水泥填實。最后拆除4m臨時PE管，將6寸擋板安裝在孔口6寸PE管上，并用2寸負壓管聯抽。

5 現場試驗

該項目于2018年3月～6月，在該礦13091巷道內順層鉆孔塌孔較嚴重的400m區域范圍進行試驗。順層鉆孔布置距底板高度是1.5m，排距2m，單排距布置，對200個存在塌孔和低濃度問題的順層鉆孔進行護孔二次處理。同時在試驗區域附近順層鉆孔塌孔較嚴重的100m區域范圍按照相同布孔方式施工順層鉆孔，在抽采過程中不采用護孔二次處理措施，并對評價瓦斯抽采濃度數據整理，得曲線如圖3所示。其中棱形點為采用護孔二次處理后的濃度曲線，正方形點為不護孔濃度曲線。

由圖3可知，不采用護孔二次處理情況下，抽采初期瓦斯濃度僅為21.7%，最高抽采濃度為30.2%，有效抽采期的平均濃度為20%左右，并且在30d時間內降為0，衰減速率明顯；而采用護孔二次處理的抽放鉆孔，初期瓦斯濃度能達到54.8%，最高抽采濃度為61.4%，有效抽采期的平均濃度為44.8%左右，同時衰減期長達66d，并最終保持在17.2%左右。說明護孔二次處理后有效降低了有效鉆孔的廢孔率，抽采能力平均提高了27.8%，單孔抽采能力最高提高了58.3%，整體抽采能力得到很大提升。

圖3 護孔二次處理效果對比圖

6 結論

綜上所述，對鉆孔進行護孔二次處理，一方面通過提高鉆孔孔口強度，實現抽采初期瓦斯濃度的提升，由21.7%增加到54.8%，平均濃度由20%提高到44.8%；另一方面通過鉆孔強度提高，能夠延長鉆孔壽命，降低衰減速率，使鉆孔有效時間由30d增加到66d，有效降低了有效鉆孔的廢孔率，提高區域整體抽采水平。