抽采鉆孔異常現(xiàn)象觀測分析

姚學(xué)慶 陳慶鵬

（1.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454000； 2.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司九里山礦，河南 焦作 454000）

九里山礦持續(xù)推進(jìn)三至五年中長期區(qū)域瓦斯治理規(guī)劃，形成了以底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯和穿層中深孔超前預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯相結(jié)合的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)路線[1-3]，并大力推廣水力沖孔增透技術(shù)，使得瓦斯綜合治理工作取得了較為顯著的進(jìn)步，有力推動了安全生產(chǎn)。然而其深部瓦斯含量高，煤層透氣性差，礦井為縮短瓦斯治理周期，短時間內(nèi)密集施工抽采鉆孔，并強(qiáng)化水力沖孔等增透措施，但抽采濃度衰減迅速，煤層瓦斯并未充分抽采[4]。新施工鉆孔不但沒有貢獻(xiàn)高濃度抽采量，還進(jìn)一步降低抽鉆孔抽采效果，不僅延緩了抽采達(dá)標(biāo)時間，還使得低濃度瓦斯占據(jù)抽采系統(tǒng)資源，降低整體瓦斯利用率，嚴(yán)重影響抽采效果。通過開展抽采鉆孔異常現(xiàn)象觀測分析，查找抽采薄弱環(huán)節(jié)，確定抽采影響因素，消除抽采管理盲區(qū)，為指導(dǎo)礦井采取針對性措施，進(jìn)一步優(yōu)化鉆孔封孔技術(shù)工藝、完善管理制度提供依據(jù)。

1 考察方法

抽采鉆孔異常現(xiàn)象的觀測主要利用鉆孔成像儀進(jìn)行鉆孔內(nèi)抽采管路窺視。通過實(shí)時直觀地觀察到抽采管路內(nèi)部情況，分析判斷鉆孔封孔質(zhì)量、排查抽采管理薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合理論分析，確定抽采異常現(xiàn)象影響因素，指導(dǎo)礦井采取針對性措施，進(jìn)一步優(yōu)化封孔工藝、完善管理制度。鉆孔成像儀工作原理如圖1 所示。

2 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

2.1 窺視區(qū)域基本情況

九里山礦穿層抽采鉆孔窺視區(qū)域位于九里山礦16131 底抽巷聯(lián)絡(luò)巷、回風(fēng)底抽巷，該區(qū)域位于16采區(qū)東翼下部，西鄰16 回風(fēng)下山。抽采鉆孔窺視區(qū)域如圖2 所示。

圖1 鉆孔窺視儀工作示意圖

鉆孔成像儀相關(guān)參數(shù)：窺視探頭直徑24 mm，配備電纜30 m、探干30 根（規(guī)格1 m/根）。因此，本次診斷僅針對孔深（抽采管路）小于30 m 的穿層鉆孔。

圖2 九里山礦抽采鉆孔窺視區(qū)域位置

該區(qū)域所采二1 煤層厚在6.0～11.67 m 之間，平均厚度7.3 m，煤層原始瓦斯含量21.46 m3/t，煤層原始瓦斯壓力1.62 MPa，煤層瓦斯吸咐常數(shù)a=39.06 m3/t，b=0.7531 MP-1，煤層透氣性系數(shù)為0.2～0.457 m2/MPa2·d，穿層鉆孔瓦斯流量為0.065 m3/min·h，衰減系數(shù)0.0126～0.0389 d-1。窺視區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，無構(gòu)造，煤體結(jié)構(gòu)為構(gòu)造煤，其上部為0.2 m 為粉粒煤，呈末狀，下部為碎裂煤，呈片狀、塊狀。

2.2 鉆孔施工情況及封孔要求

該區(qū)域煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，為降低瓦斯超限頻次，鉆孔施工主要采用“強(qiáng)抽孔+水力沖孔”模式。首輪強(qiáng)抽鉆孔按照排間距6 m、列間距3 m 施工見煤后采用風(fēng)力排粉，暫不進(jìn)行水力沖孔，進(jìn)行強(qiáng)化抽采；第二輪設(shè)計(jì)每組16～18 個水力沖孔鉆孔，要求平均單孔沖孔煤量不小于6 t。截至2018 年12 月，16131 底抽聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)施工強(qiáng)抽孔16 組312 個，水力沖孔鉆孔8 組162 個；16131 回風(fēng)底抽巷設(shè)計(jì)施工強(qiáng)抽孔95 組，3500 余個，水力沖孔鉆孔近70 組，1200 余個。

穿層鉆孔封孔主要采取“兩堵一注”的帶壓封孔方式，以袋裝聚氨酯作為堵頭，里端堵頭距見煤點(diǎn)2 m 的位置，外端堵頭距孔口1～2 m，進(jìn)行全巖段注漿封孔，注漿壓力0.5～1 MPa。淺孔封孔管長度為全孔段，深孔封孔管長度為30 m，且花管長度不小于3 m，并用窗紗進(jìn)行包裹并固定，封孔管連接抹膠處理。囊袋式封孔工藝參照以上要求執(zhí)行，注漿段（包含兩端囊袋）為5 m。

3 穿層鉆孔抽采管路觀測異常情況

3.1 觀測情況

16131 底抽聯(lián)絡(luò)巷考察窺視“兩堵一注”封孔工藝鉆孔14 個，16131 回風(fēng)底抽巷考察窺視4 個鉆孔，共計(jì)18 個，抽采期4～13 個月。“兩堵一注”封孔工藝穿層鉆孔窺視視頻截圖見圖3。

圖3 “兩堵一注”帶壓封孔穿層鉆孔抽采管路窺視視頻截圖

由窺視情況參數(shù)表及視頻截圖可知，不同抽采期的18 個鉆孔，大部分孔內(nèi)抽采管路內(nèi)壁光滑、完整，其中：（1）1 個鉆孔在距孔口3 m 位置，出現(xiàn)抽采管脫節(jié)；（2）2 個鉆孔在孔內(nèi)出現(xiàn)抽采管變形，1 個在煤孔段，1 個在巖孔段，且變形后窺視探頭能夠繼續(xù)下入；（3）2 個鉆孔在距孔口14 m位置被煤泥堵死，窺視探頭無法通過；（4）1 個鉆孔在距孔口20 m 位置有煤粉；（5）完成窺視的14個鉆孔中，孔深小于30 m 的鉆孔13 個，抽采管長度較封孔要求少0.8～12.5 m，平均4.1 m；孔深大于30 m 的鉆孔1 個，孔深39 m、巖孔段28 m，抽采管長度29 m，較封孔要求少4 m。

3.2 穿層鉆孔封孔存在的主要問題

（1）封孔操作不規(guī)范，導(dǎo)致鉆孔抽采管脫節(jié)。

九里山礦16131 回風(fēng)底抽巷4 組13#孔在距孔口3 m 位置出現(xiàn)抽采管脫節(jié)，且里段抽采管與鉆孔孔壁間隙未發(fā)現(xiàn)注漿痕跡。因鉆孔抽采期僅8 個月左右，基本排除巖巷圍巖變形的影響。判斷造成該現(xiàn)象的原因?yàn)榉饪走^程操作不規(guī)范，抽采管連接處未抹膠，下放抽采管時向下抽動抽采管，導(dǎo)致脫節(jié)。該現(xiàn)象占九里山礦窺視的18 個“兩堵一注”封孔鉆孔的5.56%。

（2）抽采花管未包裹窗紗，或抽采管堵頭破損，煤泥、煤粉進(jìn)入抽采管路堵塞抽采通道。

九里山礦窺視的 “兩堵一注”封孔鉆孔（抽采期4～13 個月）中，2 個鉆孔抽采管內(nèi)發(fā)現(xiàn)煤泥堵孔（均發(fā)生在巖孔段），1 個鉆孔內(nèi)有煤粉，占據(jù)抽采管截面約1/3，占九里山礦窺視的18 個鉆孔的16.67%。

（3）Φ50 mm 抽采管管壁較薄，承壓強(qiáng)度不足，封孔后出現(xiàn)抽采管變形。

抽采管變形鉆孔2 個，1 個發(fā)生在煤孔段，1個發(fā)生在巖孔段。其中，煤孔段變形判斷為水力沖孔后，煤層應(yīng)力重新分布，煤體發(fā)生蠕變變形，造成抽采管擠壓變形；巖孔段變形判斷為上端聚氨酯堵頭位置，由于聚氨酯膨脹變形不均勻，造成局部壓力增高，擠壓抽采管路。抽采管變形占窺視的九里山礦18 個鉆孔的11.11%。

（4）抽采管路存在不同程度下放深度不足，僅部分鉆孔能達(dá)到封孔深度要求。

九里山礦正常窺視的14 個“兩堵一注”封孔鉆孔，抽采管長度較封孔要求少0.8～12.5 m，平均4.13 m。

4 穿層鉆孔封孔深度不足對瓦斯抽采影響分析

封孔段的長度一方面是增加封孔管與外界之間的連接長度，減少鉆孔漏氣的幾率，另一方面是最大化的封閉封孔段周圍的裂隙，從而提高封孔效果。按照相關(guān)要求，雖然順層鉆孔封孔段長度應(yīng)不小于8 m，穿層鉆孔封孔段長度應(yīng)不小于5 m，但根據(jù)巖性和裂隙發(fā)育情況，需要進(jìn)行相應(yīng)的考察。

囊袋封孔工藝較“兩堵一注”封孔工藝操作更為便捷，但注漿封孔段僅有5 m 左右，且囊袋需預(yù)先固定在抽采管上，才能下放至鉆孔內(nèi)。其固定位置根據(jù)鉆孔施工巖孔段長度確定，預(yù)計(jì)下放位置為距煤層底板2 m 位置。若抽采管下放深度不足，則囊袋固定位置較預(yù)計(jì)位置出現(xiàn)偏差。

在對試驗(yàn)區(qū)域觀測的24 個囊袋式封孔鉆孔窺視中發(fā)現(xiàn)，孔深小于30 m 的鉆孔10 個，抽采管較封孔要求少1～7m，平均2.5 m；孔深大于30 m 的鉆孔2 個，均為孔深33m、巖孔段19 m，抽采管長度分別為22 m、26 m，較封孔要求少7～11 m，平均9 m。利用表格柱狀圖表示囊袋封孔注漿段距煤層底板2 m 位置，九里山礦16131 回風(fēng)底抽巷A68組單數(shù)列鉆孔注漿位置示意圖如圖4 所示。

圖4 鉆孔注漿位置示意圖

由圖4 可以看出，由于抽采鉆孔下放深度不足，囊袋注漿段即封孔段位置距煤層底板參差不齊，導(dǎo)致穿層鉆孔封孔不能形成有效、完整的封堵圈，特別是當(dāng)封孔段位于巖層破碎圈時，容易發(fā)生鉆孔漏氣。在執(zhí)行水力沖孔措施后，鉆孔在煤層內(nèi)部相互串孔、連通，單個鉆孔漏氣將導(dǎo)致串孔鉆孔抽采濃度整體下降。

5 結(jié)論

穿層鉆孔抽采管路下放深度不足，封孔段位置距煤層底板參差不齊，導(dǎo)致穿層鉆孔封孔不能形成有效、完整的封堵圈，當(dāng)封孔段位于巖層破碎圈時，容易發(fā)生鉆孔漏氣。特別是執(zhí)行水力沖孔措施后，鉆孔在煤層內(nèi)部相互串孔、連通，單個鉆孔漏氣將導(dǎo)致串孔鉆孔抽采濃度整體下降。礦井應(yīng)加強(qiáng)抽采鉆孔封孔管理，提高封孔質(zhì)量才能有效提高煤層瓦斯治理效果，達(dá)到瓦斯充分抽采利用、縮短治理周期、降低治理成本的目的。