松軟煤層鉆進抽采技術在屯蘭礦的應用

楊曉紅，王 永

(1.山西焦煤集團公司 通風部， 山西 太原 030024； 2.西山煤電集團公司 屯蘭礦， 山西 古交 030200)

瓦斯抽采是礦井瓦斯治理的主要手段，而松軟煤層打鉆抽采一直是瓦斯治理的技術難題，成為制約礦井安全生產的瓶頸。國內眾多學者對松軟煤層鉆孔塌孔、抱鉆以及噴孔問題進行了深入研究。廉有軒等[1]提出煤層鉆孔失穩機理，認為施工軟煤鉆孔排渣不力導致堵孔，孔內瓦斯壓力驟增形成噴孔，堵孔后瓦斯壓力超過鉆機給進壓力形成頂鉆，孔壁受打鉆鉆桿振動而崩塌，垮孔、堵孔致使破碎煤體箍緊鉆桿、鉆頭形成卡鉆。梁運培、王振等[2-3]基于瓦斯對煤體的拉伸破壞作用和鉆孔孔壁失穩機理，提出噴孔機理，認為應力峰值強度后區域最易塌孔噴孔。應力環境是導致鉆孔失穩的重要條件，李志華等[4]認為側壓系數、巖體力學強度、初始應力、鉆孔圍壓和圍巖力學強度是影響鉆孔穩定性的重要因素。翟成等[5]認為影響巷道圍巖應力和鉆孔二次應力是煤層鉆孔孔壁弱結構易產生破壞失穩、塌孔和成孔難的主要根源。徐勝軍[6]認為孔壁處的拉伸破壞和鉆孔周圍煤體的剪切破壞造成了鉆孔失穩。孫玉寧等[7]認為突出煤層存在“鉆穴”導致塌孔、抱鉆以及噴孔，“鉆穴”的存在是松軟含瓦斯煤體鉆進困難的主要原因。在諸多學者理論研究成果的基礎上，針對松軟煤層打鉆抽采遇到的問題，引進寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風排渣和全程下套管護孔工藝并結合實際進行研究改進，提出了施工流程和技術要求，在屯蘭礦全面推廣應用。

1 松軟煤層鉆孔動力現象作用機理

1.1 工程背景

屯蘭礦是山西焦煤集團公司骨干生產礦井，生產能力450萬 t/a，為煤與瓦斯突出礦井。該礦井位于山西省古交市西南，井田面積73.34 km2，井田內含煤18層，為山西組和太原組，其中主采2#、8#、9#煤層均為近水平突出煤層，礦井采用七進五回方式，總風量44 700 m3/min,礦井絕對瓦斯涌出量260 m3/min，井下瓦斯抽采量176 m3/min(不含地面煤層氣抽采量)，瓦斯抽采率69%. 主要有本煤層預抽、上下鄰近層抽采、采空區抽采等綜合瓦斯抽采方式。隨著生產布局向深部發展，煤層埋深增加，地質條件復雜。尤其在南五(2#)、南翼下組生產盤區(8#)瓦斯含量賦存高、壓力大，瓦斯含量分別為13 m3/t、14.5 m3/t，瓦斯壓力分別為2.3 MPa、1.9 MPa，煤層松軟，f值僅為0.3～0.5，打鉆塌孔、抱鉆、噴孔、斷鉆桿現象嚴重，同時鉆孔深度和成孔質量難以保證，嚴重制約著瓦斯治理工程的實施，給礦井抽、掘、采銜接和安全生產帶來很大影響。

1.2 松軟煤層鉆孔動力現象作用機理分析

1) 鉆孔施工過程動力現象。

在鉆頭鉆進過程中，鉆孔周圍煤體失穩蠕變，松軟煤體因應力釋放而產生縮徑、垮落。在傳統工藝中水作為排渣的動力介質，排渣的同時動力水也沖刷孔壁煤體，加劇了煤體的蠕變、垮塌；對于鉆孔產生的縮徑變形，普通圓鉆桿不具備切削功能、排渣功能也較弱，煤與水混合后黏度增加，排渣不暢導致堵孔，引發塌孔、堵孔、噴孔、抱鉆、斷鉆桿等現象。

2) 鉆孔抽采過程動力現象。

一方面，在抽采過程中鉆孔內殘存的煤渣在抽采負壓的作用下運移堆積；另一方面，鉆孔周圍煤體因在應力作用下以及松軟煤體、瓦斯以及煤體水分在抽采作用下失穩蠕變進而造成垮塌，阻斷了瓦斯抽采通道，形成了瓦斯抽采空白區，被阻斷的鉆孔也成了高壓瓦斯包，為安全生產埋下了嚴重隱患。

基于上述機理，松軟煤層打鉆抽采必須做好兩方面工作：鉆進過程中減少對鉆孔孔壁的擾動、及時干凈排出煤渣；正常抽采過程中，疏通排出鉆孔積渣，防止鉆孔堵塞，形成較好的瓦斯抽采通道。

2 松軟煤層鉆進抽采工藝

2.1 工作原理

隨著鉆頭切割煤體向前鉆進，利用壓風與寬葉淺槽螺旋鉆桿共同作用，實現連續排屑和冷卻鉆頭的目的。壓風通過鉆桿內孔、鉆頭到達孔底在鉆孔內形成高速氣流，同時淺槽螺旋鉆桿回轉形成“煤屑螺旋輸送帶”，在壓風與螺旋鉆桿的共同作用下連續不斷地將孔內鉆屑排出孔外。在遇有鉆孔收縮垮塌的情況下，螺旋鉆桿起到了“切削”作用，壓風實際發揮了“疏通劑”的作用，懸浮煤屑在壓風作用下被高速風流吹出，塌孔造成的大粒徑煤塊在螺旋鉆桿的作用下切碎排出，解析的瓦斯隨之排出，高壓“瓦斯氣體包”自然釋放，避免了鉆孔堵孔、抱鉆和噴孔事故的發生，原理圖見圖1. 此外，寬葉淺槽螺旋壓風排渣打鉆還避免了傳統水力排渣工藝存在的鉆孔煤泥沉積以及滲入煤體裂隙封堵瓦斯通道影響煤層瓦斯解析的問題，最終提高鉆孔瓦斯抽采效果。

圖1 寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風排渣打鉆原理圖

2.2 技術要求

1) 壓風合理參數的確定。根據氣力輸送原理，為實現正常排渣，孔內風速必須大于鉆渣的最小沉降速度Vt和孔內不阻塞的最小風速Vb. 據此計算確定需要的風速、風量、風壓等參數，確保足夠的排渣能力。屯蘭礦根據計算結果和實際應用效果，最終確定打鉆壓風風壓不低于0.55 MPa.

(1)

式中：

V—孔內風速，m/s;

Vt—煤巖顆粒的沉降速度，m/s;

ρs—鉆屑密度，kg/m3;

ρa—空氣密度，kg/m3;

ds—鉆屑的平均粒徑，m；

Vb—滿足不阻塞條件的最小風速，m/s;

w—單位時間的產渣量，kg/s.

2) 寬葉淺槽螺旋鉆桿參數。壓風排渣寬葉淺槽螺旋鉆進所要求的鉆機與傳統鉆機要求基本一致，主要對鉆桿結構進行了改進，寬葉淺槽螺旋鉆桿見圖2. 結合現場實際應用情況，既要滿足鉆桿內孔的直徑要求又要保證鉆桿有足夠的強度，在對鉆桿的材料提出要求的基礎上，確定寬葉淺槽螺旋鉆桿的具體參數：直徑為113 mm的三翼或四翼鉆頭、73 mm鉆桿，鉆桿內孔直徑為25 mm、螺旋高度2 mm、寬度19 mm、螺距250 mm.

圖2 寬葉淺槽螺旋鉆桿圖

2.3 安全措施及注意事項

淺槽螺旋鉆桿壓風排渣工藝屬于干式打鉆，如果操作不當易引燃鉆孔內瓦斯造成安全事故。在現場施工過程中加強以下幾方面管理：1) 采用壓風排渣工藝首先要保證足夠的風壓，并使用配套的寬葉淺槽螺旋鉆桿，保證排渣和冷卻效果。2) 打鉆過程中要密切關注排渣情況及時采取應對措施，每加一根鉆桿都要先保證壓風返出后再正常鉆進，鉆孔深度達標后待煤渣基本排凈后再關風加鉆桿。若發現鉆孔返風小、鉆芯粒徑變大、排渣困難時，證明鉆孔有垮塌現象、孔內煤渣積聚或鉆孔截面收縮變形造成阻塞，應停止鉆進，邊退鉆桿邊用壓風排渣，直至返風量、排芯量恢復正常后再鉆進。3) 配備足夠安全設施。打鉆處應裝備CH4、CO傳感器，同時鉆機應安裝自動風水切換裝置與CO傳感器聯鎖，并配備防滅火器材。打鉆過程中發現孔內CO涌出等異常情況應立即停止鉆進，自動切換到壓水狀態進行灌水處理。4) 寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風排渣打鉆工藝不適應于巖層中鉆進，遇巖層或地質構造，應停止鉆進重新開孔，嚴禁強行施工。

3 松軟煤層鉆孔維護管理

3.1 常規維護管理

1) 標準化封孔聯孔。鉆孔封孔聯孔必須有利于瓦斯抽采氣流的順暢，鉆孔必須安裝放水排渣裝置，鉆孔連管管徑、長度必須合理，不能形成局部阻力。

2) 日常放水排渣應采用人工或自動放水器定時進行，保證正常抽采。

3) 加強檢查及時疏通鉆孔。發現鉆孔堵塞必須及時進行疏通清理，對于易塌孔區段可利用鉆機疏通清理。

3.2 抽采鉆孔下篩管護孔

1) 常規下篩管。

巷道周圍15～20 m為圍巖松動圈、20～50 m為應力集中區，易于塌孔，可在打鉆完成后對鉆孔50 m范圍人工下篩管護孔，保持對鉆孔全程抽采。篩管選用d50～75 mm礦用PE或PVC管，篩管花眼孔徑8～12 mm，采用承插連接方式。

2) 全程下套管護孔抽采工藝。

對于煤層特別松軟的區域，需要在抽采鉆孔內下花眼套管，花眼套管選用d25～30 mm礦用PVC管，眼徑6～8 mm. 具體工序：鉆孔到位后不退鉆，從鉆桿內通孔中下入花眼套管，套管頂端安裝特制的懸掛裝置，當套管輸送到鉆頭部位時，借助外力將專用鉆頭的內芯頂開，懸掛裝置自動打開卡在鉆孔壁上，然后逐根推出鉆桿，而花眼套管留在孔內，作為長期瓦斯抽采的通道，技術示意見圖3. 從抽采效果講，裸鉆孔經常疏通保持通暢較下篩管的鉆孔抽采效果好，對易塌孔段下篩管較全程下篩管的鉆孔抽采效果好，下篩管的鉆孔應適當延長抽采時間。

圖3 抽采鉆孔快速下套管技術示意圖

4 松軟煤層鉆進抽采技術在屯蘭礦的應用

屯蘭礦南五盤區2#煤12507工作面施工回采預抽鉆孔過程中，采用寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風排渣打鉆工藝配套篩管護孔工藝，同比盤區內相鄰的12505工作面采用普通鉆桿濕式打鉆工藝及裸孔抽采工藝，在打鉆施工現場安全系數高,抽采過程中鉆孔管理、抽采效果好，回采期間瓦斯管控效果顯著。

由于寬葉淺槽螺旋鉆桿減少了對孔壁的擾動，同時壓風工藝強化了排渣速度，解決了濕式工藝對煤層軟化作用。相比于12505工作面，12507工作面瓦斯噴孔數量由120次下降到5次，下降了95.83%，鉆孔成孔率由60%提高到90%，提高了50%，鉆孔有效深度由60 m提高為150 m，見表1.

表1 松軟煤層鉆進抽采技術應用效果對比表

煤層水分在抽采負壓作用下從煤層中解吸，結合松軟煤層自身特性，在后期抽采過程中鉆孔中部塌孔堵孔頻繁發生，給鉆孔維護帶來一定難度及安全隱患。因此采取篩管護孔工藝，全程送入孔徑小于鉆孔的花眼護管，保證后期瓦斯抽采通道通暢，相比于12505工作面鉆孔平均濃度由25%提高到40%，提高了60%，鉆孔流量衰減較慢，百米鉆孔平均流量由0.008 m3/min提高到0.014 m3/min，提高了75%. 鉆孔流量變化曲線見圖4.

圖4 12505與12507工作面鉆孔流量變化曲線對比圖

通過對比后期回采期間瓦斯管理數據，回采前煤體殘余瓦斯含量由7 m3/t下降到5.5 m3/t，下降了21%，工作面配風量由1 800 m3/min下降到1 500 m3/min，工作面平均瓦斯濃度持續穩定在安全范圍。工作面瓦斯濃度統計見圖5.

圖5 12505與12507工作面瓦斯濃度變化曲線對比圖

5 結 論

1) 通過對松軟煤層鉆孔動力現象的發生機理進行分析，提出了壓風排渣打鉆及下套管護孔工藝，確定了壓風合理參數及寬葉淺槽螺旋鉆桿參數，形成了有效的松軟煤層鉆孔現場施工安全措施及維護管理方案。

2) 屯蘭礦回采預抽鉆孔施工過程中，采用了寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風排渣打鉆工藝配套篩管護孔工藝，瓦斯噴孔數量由120次下降到5次，鉆孔成孔率由60%提高到90%，鉆孔有效深度由60 m提高為150 m，鉆孔平均濃度由25%提高到40%，百米鉆孔平均流量由0.008 m3/min提高到0.014 m3/min,瓦斯抽采效果顯著。