王坡煤業綜放工作面瓦斯抽采技術應用

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城048021）

1 工程背景

王坡煤業3316綜放工作面垂直于主運巷向南布置，位于三采區四條集中巷南側。工作面走向為2060m，傾斜寬度180m，平均埋深為600 m。整個工作面整體傾向為東高西低，屬于簡單的向斜構造。開采3#煤層，煤層平均厚度為4.6m，煤層平均傾角為5°。3#煤層老頂、老底均為中砂巖，直接頂為砂質泥巖，直接底為泥巖。采用采放比為1∶1的綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

礦井最大相對瓦斯涌出量為54.58m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為138.78m3/min，為高瓦斯礦井。3#煤層瓦斯放散初速度ΔP為20～25，煤的堅固性系數f為0.63～0.95，煤的孔隙率為7.38%～9.03%，煤層瓦斯壓力為0.58MPa，煤層瓦斯含量為5.73～18.77m3/t。3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。

工作面巷道支護采用錨網與錨索聯合支護，地質構造、淋水段及頂板破碎地段時采用錨網+U型鋼棚或錨網+噴漿進行復合支護。

2 高地應力區煤層鉆孔施工工藝探討

2.1 高地應力鉆孔鉆進影響因素分析

（1）“三軟”煤層對深孔鉆進的影響

一般煤層及其頂底板煤巖層膠結程度差、強度低、節理裂隙發育程度大、節理面風化較為嚴重、內部含有大量松、散、軟的膨化黏土礦物等具有復雜的地質介質條件的煤層稱為“三軟”煤層。在煤層中打鉆孔，最大的難點在于煤層中的鉆孔容易出現縮孔、塌孔以及卡鉆，特別在高地應力環境下的“三軟煤層”中更是容易發生這些問題，在打鉆過程中或鉆孔在完成以后，會在鉆孔周圍一定范圍內發生二次應力的重新分布，高地應力下的松軟煤層其松弛性較大，在應力作用下會發生很大的應變變化，所以鉆孔很容易發生整體縮孔、局部塌孔，進而導致卡鉆、退桿困難等問題。

（2）頂底板對深孔鉆進的影響

在打鉆過程中有時候會由于各方面原因鉆孔容易遇到煤層頂底板，鉆孔深度受到限制。導致打鉆遇到頂底板的原因主要有以下幾方面：第一，鉆孔布置定向有誤，導致軌跡發生偏差；第二，鉆孔內的嚴重塌孔導致鉆孔方向發生改變；第三，鉆機由于自重作用發生沉降從而導致鉆孔方向發生改變；第四，由于煤層內含有夾矸，導致打鉆方向發生改變。

（3）鉆孔施工工藝技術影響因素

不同的鉆孔工藝會導致不同的成孔效果，而且會導致鉆孔內各種復雜情況的發生，比如鉆機的來回起拔回轉，利用水沖洗鉆孔以及向鉆孔內壓風排渣等都會影響到孔內壓力的平衡，從而造成孔內壓力波動，對鉆孔結構造成影響。因此，使用綜合成套鉆孔設備對確保成孔至關重要。

2.2 鉆孔施工方案設計

針對以上影響因素分析，找出解決問題的鉆孔施工技術是關鍵。理論和實踐證明，螺旋鉆進自排渣的鉆孔施工技術是施工順煤層長鉆孔的最佳施工方式，螺旋葉片與鉆孔之間形成的“煤屑螺旋輸送帶”，使螺旋葉片連續不斷的將孔內的煤屑排出孔外，減少了額外的排渣工藝，使鉆孔結構的完整性保存較好，該施工有利于增強破碎煤層以及在高地應力下軟煤層鉆孔的施工能力，很大程度上減少了鉆孔出現鉆穴以及塌孔，從而提高了成孔能力。采用合理的鉆進施工參數和下篩管（或套管）參數，才能進一步有效的提高施工效果。

（1）成孔直徑

一般在順煤層瓦斯預抽采中，抽采鉆孔直徑越大，其孔內結構越好，成孔概率越高，根據現場試驗以及以往王坡煤業瓦斯抽采情況，發現當鉆孔直徑大于85 mm時，瓦斯抽采效果更好。

（2）成孔深度

瓦斯抽采鉆孔的成孔深度往往根據礦井抽采設計以及現場實際需要確定。3316工作面的傾向長度為180m，所以根據實際需要確定鉆孔的最宜成孔深度為100～160 m。

（3）鉆進速度

以提高施工工作效率以及成孔率為主要參考指標，根據3316工作面煤層煤質以及構造應力，確定鉆孔的理想鉆進速度為0.5～1 m/min。

（4）鉆孔間距

經過現場實測，王坡煤礦3#煤層有效抽采半徑1.5～3.0m，其鉆孔布置間距范圍宜為2.5～5.0 m。為確保能夠有效抽采瓦斯，設置順層鉆孔間距為3.5 m。

（5）鉆機類型

經過近一年的順煤層鉆孔施工工藝性試驗，ZYW-1900R型鉆機及鉆具較原有鉆機成孔效果更好，適合松軟順層瓦斯抽采鉆孔施工，最大鉆進深度200m，采用螺旋鉆進自排渣施工工藝。

2.3 鉆孔施工工藝效果對比

礦井采用的原排渣工藝為水力排渣方式。由于水介質的密度要遠大于氣體，導致其對煤孔的沖刷力較強，且水容易軟化煤層，并極易滲透到煤層裂隙中，導致裂隙進一步發育擴展，因此加大了鉆孔發生垮孔的概率。

在3316工作面回風順槽距工作面約200m處進行原鉆孔施工工藝以及改進施工工藝的成孔效果的對比，用兩種鉆孔工藝同時進行順煤層鉆孔施工，分別成孔28個，并對成孔深度進行測量，得出兩種工藝對比成孔深度見圖1。由圖1可以看出，改進的鉆孔施工工藝對比原工藝極大的提高了成孔效果，成孔率較高，能夠滿足瓦斯抽采需求。

圖1 鉆孔施工工藝改進前后鉆孔施工深度對比

3 鉆孔封孔工藝研究

3.1 原封孔工藝

王坡煤業現在使用的封孔工藝為安爾特封孔工藝。該工藝主要是在鉆孔的封孔段中間部分注入安爾特高效膨脹劑，并在兩端采用安爾特高效封孔袋進行完全密封。為進一步了解現有封孔工藝的封孔效果，對瓦斯抽采鉆孔進行了隨機抽采濃度檢測，由檢測結果發現其效果并不理想。在剛開始的檢測中，檢測的抽采濃度大約在50%左右，在連續抽采4個月過程中，發現抽采濃度在不斷下降，最終維持在不足30%的水平線上，由此可見，現使用的安爾特封孔工藝封孔效果不佳，因此需要采用更加高效的封孔工藝。

3.2 新型封孔工藝

（1）合理封孔深度確定

根據相關研究方法[3-4]，一般采用鉆屑指標法及數值模擬方法對抽采鉆孔的封孔深度進行研究確定。通過這兩種方法研究分析得出：利用鉆屑指標法得出工作面巷道的松動圈范圍為0～10m，利用數值模擬方法確定巷道圍巖松動圈范圍為7～10m，所以綜合分析得出3316工作面回采巷道松動圈的范圍為0～10 m。一般而言，瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應該一定程度上大于松動圈范圍，而目前礦用的抽采管長度大約長度為4 m左右，根據現場實際以及材料成本上考慮，確定使用長度4m的瓦斯抽采管3根且用絲接連接好，所以鉆孔封孔深度為12 m。

(2）徑向膨脹主動承壓式注漿封孔工藝

徑向膨脹主動承壓式注漿封孔工藝其原理是通過動力裝置將材料壓入抽采管兩端堵頭間的孔隙范圍，并向煤壁裂隙進行滲透，該項封孔工藝的技術關鍵在于無機材料的特性和動力裝置的帶壓能力，在一定范圍內，壓力的大小決定著材料封堵裂隙的效果，見圖2。

圖2 徑向膨脹主動承壓式封孔工藝封孔原理

對于封孔所使用的新材料漿體能夠高效快速的與煤體融合，并發生膨脹，從而使鉆孔達到高效密封的效果。該新材料漿體是專門針對礦井瓦斯抽采鉆孔封孔所研制的，其性能能夠很好的彌補目前封孔材料所具有的缺陷，從而使抽采瓦斯工作能夠更加高效安全。

3.3 封孔工藝對比效果驗證

為驗證新材料封孔的應用技術優勢，在3316回風順槽開展了封孔工藝對比試驗。

（1）不同封孔工藝鉆孔單孔瓦斯抽采濃度變化

不同封孔工藝試驗鉆孔瓦斯抽采濃度隨預抽時間變化曲線見圖3，從圖中可以看出新材料注漿封孔鉆孔濃度衰減較慢，而原有封孔工藝的試驗鉆孔瓦斯抽采濃度衰減速度比較快。

圖3 不同封孔工藝試驗鉆孔瓦斯濃度隨預抽時間變化趨勢

（2）不同封孔工藝鉆孔平均抽采濃度分析

為了能夠更加直觀比較兩種封孔工藝的優劣，將所有鉆孔的抽采濃度變化進行平均，圖4為不同封孔工藝平均抽采濃度變化曲線比較圖。

圖4 不同封孔工藝平均抽采濃度變化曲線比較

由圖可以看出，在觀測的120 d時間內，新材料封孔工藝的瓦斯抽采濃度波動不大，其抽采濃度大于50%的天數達到了91 d，且整體始終平均維持在70%左右，抽采濃度最大時可達90.5%，抽采效果理想。對比分析安爾特封孔，由圖可以看出在35 d內，瓦斯抽采濃度隨時間始終在下降，最高時為開始時的80%，隨著觀測時間的進行，在44 d時降到了60%，但是隨之繼續下降，最終抽采濃度維持在13%左右，整體瓦斯抽采濃度在50%以上的時間僅為14 d，封孔效果較差，不能夠滿足工程要求。因此最終確定使用新材料徑向膨脹主動承壓式封孔工藝為適合礦井的高效封孔工藝。

4 結語

1）對高地應力松軟煤層鉆孔成孔困難的影響因素進行了多方面分析，松軟煤層鉆孔很容易發生整體縮孔、局部塌孔，進而導致卡鉆、退桿困難。

2）針對礦井原鉆孔水力排渣施工工藝存在的問題，提出螺旋鉆進自排渣的鉆孔施工工藝，有效減弱了噴孔和垮孔，成孔效果顯著。

3）針對礦井原封孔工藝效果差的問題，研究了新材料徑向膨脹主動承壓式注漿封孔工藝，通過現場試驗分析可以看出，新材料徑向膨脹主動承壓式注漿封孔工藝效果明顯，瓦斯抽采濃度明顯提高。參考文獻：

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