一種瓦斯抽放鉆孔套管及封孔新工藝設計

李庭斌

(神東煤炭集團布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

隨著煤礦開采程度的不斷加大，瓦斯越來越成為制約礦井安全生產的瓶頸，特別是工作面的瓦斯治理不到位，易造成工作面瓦斯異常超限，嚴重影響礦井的安全生產[1-3]。通風技術是預防高瓦斯問題的主要措施，在煤礦開采過程中起到保證煤礦安全性和穩定性的作用。低瓦斯礦井一般采用通風方式解決工作面瓦斯問題，增加巷道配風量，稀釋瓦斯濃度，將瓦斯濃度降低到安全允許濃度以下，防治瓦斯超限和瓦斯事故的發生，但風量過大會造成采空區漏風量大，造成回風隅角涌出瓦斯量進一步增大[4-7]。為解決回風隅角瓦斯積聚的問題，多數礦井采用易于控制的聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區的方法進行瓦斯抽采?？紤]到礦井配風的整體需要及礦井防塵適宜風速、漏風率等因素的影響，礦井巷道及工作面的配風量不能過大，即使是低瓦斯礦井，僅采取通風一種措施也不能完全達到控制瓦斯的目的。為此，對瓦斯抽放鉆孔的套管及配套的封孔工藝進行了研究，提出了一種安全、經濟的瓦斯抽放鉆孔套管及封孔工藝。

1 研究背景

1.1 工程概況

礦井概況：布爾臺煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內，井田面積192.63 km2，地質儲量33.03億t，可采儲量20.13億t，礦井設計生產能力20 Mt/a，服務年限71.8 a。礦井可采煤層10層，現主采煤層為22煤與42煤，22煤平均厚度3.05 m，平均埋深300 m；42煤平均厚度5.9 m，平均埋深377 m?，F開采的22、42煤層自燃傾向性屬于I類易自燃，煤塵均有爆炸性。礦井采用斜井、平硐、立井綜合開拓方式，分區抽出式通風。

工作面概況：本項目的井下現場試驗在42106綜放工作面進行。42106綜放面布置在42煤一盤區，工作面按煤層傾斜方向布置，沿煤層走向方向回采，工作面傾向長度309 m，走向長度5 073.8 m。煤層為31煤與42煤復合區。在距離42106工作面回撤通道661 m范圍內工作面回采31煤，661 m至切眼的范圍回采42煤。地面標高1 251.8～1 386.7 m，煤層底板標高912.7～988.6 m。煤厚3.46～7.05 m，平均6.1 m。回采段分叉區煤厚3.46～3.78 m，平均煤厚3.6 m，回采段復合區煤厚6.15～7.05 m，平均6.6 m，分叉復合區存在0～1.2 m的夾矸，夾矸巖性為砂質泥巖，煤層分叉復合區傾角變化很大，煤層傾角3°～9°。

1.2 瓦斯抽放情況

通風及抽放形式：布爾臺煤礦絕對瓦斯涌出量27.95 m3/min，相對瓦斯涌出量0.71 m3/t，綜采面最大絕對瓦斯涌出量4.74 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量1.65 m3/min，屬低瓦斯礦井，綜采工作面原采用“U”型通風，配套抽放方式為上隅角埋管抽放。為提高采空區抽放效果和瓦斯抽放主管路的回收利用率，礦井改變綜采工作面的通風方式，采用偏“Y型”通風，配套抽放方式為采空區插管抽放。42106工作面泵站采用2臺ZWY300/355水環真空泵，額定流量300 m3/min。抽放主管路采用DN500焊管，布置在42107回風順槽，抽放支管通過采空區聯巷密閉插入42106綜放工作面采空區進行抽放，隨著綜采面推采，逐個開啟和關閉抽放支管完成綜采工作面采空區的瓦斯抽放，防止綜采工作面回風隅角等地點的瓦斯超限。

存在的問題及解決思路：礦井兩順槽之間聯巷距離20～200 m不等，導致抽放支管之間距離不均勻，且多施工聯巷成本高且管理困難。因此，為保證抽放半徑均勻，在距離超過60 m的聯巷中間需要施工鉆孔，鉆孔直徑為500 mm，長度為20～25 m。為防止塌孔或者漏渣造成鉆孔堵塞，影響抽放效果，需要在全孔安設與孔徑匹配的管路并封孔。因井下順槽寬度在6 m左右，管路安裝只能采取多根短管逐節相連的方式，但套管直徑大，短管連接處不嚴密，易造成局部塌孔封堵鉆孔或者封孔材料堵塞鉆孔，影響抽放效果，因此需要一種安全、經濟的套管方式及配套的封孔工藝完成瓦斯抽放鉆孔的連接和封孔，保證抽放效果。

2 工藝設計

2.1 主要要求

套管對接方式的要求：①作業過程中安全系數高；②保證各段套管對接嚴密；③可操作性高，不影響套管作業效率；④不影響封孔質量。

封孔工藝的要求：①可與改進后的對接方式相匹配，具有可操作性；②可實現鉆孔全長封孔，保證氣密性；③封孔材料滿足無毒、阻燃、反應溫度不高于70 ℃，材料性價比高，適合大量使用、推廣。

2.2 方案設計

根據套管及封孔工藝的主要要求，通過咨詢公司相關部門、收集資料、參考其他礦井經驗，形成以下設計方案。

套管工藝設計：①內套袖連接。在一段套管上焊接短節，該短節外徑略小于套管內徑，對接時將短節插入上段套管內，完成對接，連接效果如圖1所示；②螺栓連接。在套管一端焊接若干螺母，與下段套管利用螺栓連接、固定，連接效果如圖2所示；③螺紋連接。在一段套管上焊接短節，該短節外徑等于套管內徑，在短節外側加工外螺紋，另外在上段套管內側加工內螺紋，兩段套管通過螺紋連接、固定，連接效果如圖3所示。

圖1 內套袖連接效果圖

圖2 螺栓連接效果圖

圖3 螺紋連接效果圖

封孔材料：因鉆孔在兩順槽在之間的煤壁間施工，受采動影響等，礦壓顯現明顯，鉆孔周圍煤體破損，易造成采空區氣體泄漏，故需要對鉆孔進行全孔封孔[8-10]。考慮到經濟效益，可供選擇且滿足要求的充填材料包括：黃土、水泥、無機填充材料。①黃土無毒、阻燃，與水混合時不產生熱量成本最低，但黃土封孔韌性、強度差，在受采動等外力影響時封孔效果易受到破壞，影響氣密性。另外黃土漿凝固時間較長，且單獨利用黃土漿進行封孔，無法長期在封孔空間駐留；②水泥無毒、阻燃，與水混合時會產生少量熱量，成本較低，凝固后韌性、強度大，能夠保證封孔氣密性。但水泥凝固時間較長，單獨利用水泥漿進行封孔，無法長期在封孔空間駐留；③無機充填材料無毒、阻燃，與水混合時會產生少量熱量，凝固后韌性、強度大，能夠保證封孔氣密性且凝固需時最短。但無機填充材料成本較黃土、水泥高。

封孔工藝設計：根據以上封孔材料特性及要求，封孔工藝設計為“兩堵一注”，即孔口兩端口利用強度高、凝結快的材料封孔，鉆孔中段利用凝結較慢但成本較低的材料充填。

3 工藝試驗及應用

3.1 地面試驗

套管工藝試驗：首先，根據設計階段篩選出3種套管工藝設計方案，礦機修車間按1∶1的比例各加工一套實體管路在機修車間場地進行地面對接試驗，地面試驗結果對照見表1；其次，由以上試驗可知，內套袖連接工藝不需井下電氣焊，各段套管間對接較嚴密，在內外套袖間襯入棉紗后，能夠保證氣密性。且相對其他方案加工精度要求較低，對接過程中操作容易，不影響套管效率。螺栓連接工藝也不需井下電氣焊，加工作業量最少但精度要求較高，一旦焊接誤差大或受外力變形則無法順利完成套管作業，各段套管間縫隙較大且無有效補救方法。對接時成功與否取決于螺栓與螺母能否快速對準，經試驗效率較低。螺紋連接工藝也不需井下電氣焊，套管間密閉性最好。但加工作業量最大、精度要求最高，一旦加工誤差大或受外力變形則無法順利完成套管作業。對接期間需旋轉管路緊固絲扣，完成對接，操作難度高，工作量大，經現場試驗效率較低；最后，綜合考慮套管工藝地面試驗中3種方案的優缺點，最終確定采用內套袖套管工藝進入井下試驗階段。

表1 套管工藝地面試驗結果對照表

封孔工藝試驗：對比充填材料的膨脹系數、材料強度、阻燃性以及反應期間最高溫度，選擇合適的充填材料，完成封孔工藝設計，試驗結果見表2。根據以上封孔材料特性及要求，結合封孔工藝設計，確定井下試驗方案為：“兩堵一注”，即兩端孔口利用強度高、凝結快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用凝結較慢但成本較低的水泥封孔。

3.2 井下試驗

鉆孔試驗：井下試驗地點選擇在42106綜放工作面，42106綜放工作面瓦斯抽放鉆孔在42106運輸順槽、42107回風順槽間保護煤柱中施工，根據兩側順槽高差不同，鉆孔角度-3.4°～13.2°，孔徑為500 mm，共施工55個瓦斯抽放鉆孔，鉆孔施工完畢后需利用DN350螺旋焊管進行套管并進行封孔作業。鉆孔施工剖面圖如圖4所示。本次試驗選擇42106綜放工作面9#、10#兩個鉆孔進行鉆孔套管及封孔試驗，鉆孔相關參數見表3。

表2 封孔材料地面試驗結果對照表

圖4 瓦斯抽放鉆孔剖面示意圖

表3 42106瓦斯抽放鉆孔參數表(9#、10#)

套管工藝試驗：試驗利用內套袖套管工藝對上述兩個鉆孔進行套管，套管管材選用DN350螺旋焊管，由機修車間提前將備用管材加工為5 m一根的短管，每個鉆孔需5根短管。在5根短管中的4根短管一端焊接內嵌接頭，并在其中1根短管另一端焊接DN350法蘭。套管管材加工示意圖如圖5所示。套管管材準備完畢后，對已施工完畢的鉆孔進行套管試驗，并對套管作業過程進行了詳細的跟蹤記錄。采用內套袖套管工藝時，全部完成套管作業平均耗時350 min，其中純作業時間為264 min，略少于原有套管工藝。作業期間套管工藝未出現明顯缺陷，各環節也無嚴重安全隱患.井下試驗結果表明，內套袖套管工藝安全、可靠、高效。

圖5 套管管材加工示意圖

封孔工藝試驗：試驗地點仍為42106綜放工作面9#、10#鉆孔。試驗主要分為2個步驟，即：兩側孔口封堵、兩側孔口間空隙充填，并詳細跟蹤和記錄。通過試驗記錄數據可知，平均每個鉆孔封孔耗時296 min，鑒于每個鉆孔需多次注漿方能完成全孔封孔，因此當多個鉆孔需進行封孔時，通過科學安排工序，單個鉆孔封孔耗時還會進一步降低。封孔作業期間，孔口兩側用無機材料封堵位置、套管管壁內側未出現明顯漏漿現象，表明改進后的封孔工藝與內套袖套管工藝能夠有效匹配[11-12]，但完成套管及封孔的鉆孔氣密性還需進一步驗證。

鉆孔氣密性驗證：為了驗證采用新工藝套管、封孔的9#、10#鉆孔氣密性，10#鉆孔進入采空區后開始每日對9#、10#鉆孔外瓦斯濃度進行監測，10 d后改為每周監測，監測結果見表4。觀測數據說明，9#、10#鉆孔在進入采空區后，氣密性良好，無明顯漏氣、漏水現象，即兩端孔口利用強度高、凝結快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用水泥封孔工藝的氣密性符合要求。

3.3 應用情況

應用范圍：布爾臺煤礦在42106采煤工作面應用，之后每個采煤工作面全面推廣，平均每年有3個采煤工作面需提前施工瓦斯抽放鉆孔并套管、封孔，平均每個工作面需施工50個鉆孔，即每年共有150個鉆孔應用此套管、封孔工藝，現累計應用鉆孔數已超過400個。

經濟效益：瓦斯鉆孔套管涉及的費用主要有人工成本、車輛成本、材料消耗等費用。經計算使用此工藝前單孔成本5.44萬元，使用此工藝后單孔成本2.27萬元，單孔節約費用3.17萬元，每年節約費用475.5萬元。

安全效益：①改進后的套管工藝保證了套管質量、封孔質量，降低了施工風險，提高了施工作業的安全性；②改進后的套管工藝基本原理是對套管端口處進行加工以實現順利對接，該項作業可在套管入井前在地面完成，簡化了井下作業環節，減少安全隱患；③改進后的封孔工藝，以無機充填材料替代高分子材料，消除了封孔過程中出現高溫的隱患。

表4 鉆孔氣密性監測表

4 結語

通過工藝設計、地面試驗、井下試驗等幾個階段的研究與驗證，提出了一種安全、可靠、高效的內套袖套管工藝及配套的封孔工藝。套管工藝采用內套袖套管工藝，封孔工藝采用“兩堵一注”的全孔封孔工藝，并確定了兩端孔口利用強度高、凝結快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用凝結較慢但成本較低的水泥封孔。此外，套管過程中以人力為主要動力來源，對作業效率存在負面影響，尋找一種既安全又高效的套管施工動力源是下一步需要探究的課題。