突出煤層煤巷掘進瓦斯抽采方法研究

任硯東

摘 要： 隨著封孔工藝的發展，煤礦在瓦斯抽放時的抽放效率得到了提高。近些年，我國礦井開采深度日益增加，從前的低瓦斯礦井逐漸演變為高瓦斯礦井或突出礦井，瓦斯抽放成為許多礦井解決瓦斯問題的根本途徑。因此，瓦斯高效率抽采成為煤礦開采的一項重要課題。基于此，本文就突出煤層煤巷掘進瓦斯抽采方法進行詳細探究。

關鍵詞： 突出煤層;煤巷掘進;瓦斯抽采;方法

【中圖分類號】TD712 【文獻標識碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.36.276

1 引言

突出煤層瓦斯抽采是一直是制約我國煤礦安全高效開采的技術難題。我國突出煤層分布廣泛，在可采煤層中占比較大。突出煤層一般是指原始儲層條件下，煤體破碎、滲透性低、瓦斯壓力大的煤層，普氏系數f≤1。由于突出煤層煤質軟、透氣性差、瓦斯壓力及含量大，鉆孔施工過程中易出現塌孔、埋鉆、抱鉆現象;鉆孔成孔后，孔壁穩定性差，易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞。

2 概述

煤炭在可預見的一段時間內將會是我國的主要能源。隨著開采強度不斷增強，我國突出礦井數量不斷增加，開采的突出煤層存在瓦斯治理難度大、煤層透氣性差等問題。因此，采用合適的煤層增透技術提升煤層透氣性對提升礦井安全生產能力具有重要的現實意義。由于有效封堵距離短，受瓦斯抽放鉆孔和水力造孔的影響，沿煤層抽放鉆孔封堵段煤層裂縫發育。瓦斯抽放鉆孔內存在大量漏氣現象。隨著負壓抽放時間的增加，瓦斯抽放孔外的空氣，通過巷道邊部的裂隙和瓦斯抽放孔的裂隙進入抽放煤體，煤層極易自燃。隨著開采深度的增加，高應力軟煤層瓦斯抽放孔在施工過程中發生嚴重坍塌，造成封孔通道堵塞，導致布袋無法達到預定位置[1]。

3 突出煤層煤巷掘進瓦斯抽采方法

3.1 水力壓裂增透技術

水力壓裂用高壓水作為動力，并使煤層裂紋開始裂開且連通的情況。水力壓裂增透技術是利用高壓水經鉆孔向煤體內注入，被注入高壓水的速度要遠大于煤體自然吸水能力時，由于流動阻力的加大，在煤體內部的高壓水壓力也開始增加，當比煤體的巖石壓力大的情況下，煤層內部原來的裂隙將會被高壓水壓開而出現新的流動通道，因此煤體滲透性增加。相關研究表明，煤體出現破裂的壓力Pf是由地層垂向壓力決定，其關系是Pf=0.0265H+3.5式中H是煤層埋深。煤體內多數是原生裂紋，是各向異性材料，受高壓水的影響不會出現新裂紋，是原生裂紋的擴展延伸。注入水壓大于滲失水壓時，煤層受高壓水影響后就會出現起裂，而原始裂紋的壁面則會出現膨脹，加速了該裂紋擴展和延伸，慢慢出現流動的通道，致使煤層壓裂分解。煤體內多數的很小裂紋在受到高壓水影響后將會不斷擴展、貫通并成主裂紋，原級裂紋停止擴展后，次級裂紋在原級裂紋之間邊緣端部則開始起裂。

3.2 超前排放鉆孔抽采技術

選用ZDY6000LD型煤礦用全液壓鉆機，最大額定轉矩為6000N.m，最大起拔力為210kN，主軸傾角-10°～20°，最大爬坡能力為20°。鉆孔位置宜選擇煤壁完整、無裂隙處開孔，采用卷纏聚氨酯封孔，孔口用水泥砂漿將抽采管固定牢固或用木楔塞緊，固定長度0.5～1.0m，煤孔封孔長度≥8m。煤巷掘進面采用高負壓抽采系統進行抽采服務，抽采管線設計為從煤巷掘進面→采區回風巷→回風大巷→風井→抽采泵站→利用（或放空）。

3.3 長鉆孔整體壓裂

井下長鉆孔水力壓裂作業可分為準備階段、高壓注水階段和保壓階段。準備階段主要包括設備連接、通孔、洗孔、封孔、試壓等;高壓注水階段包括注水壓裂、監測監測過程;保壓階段包括停泵、保壓、排水等過程。壓裂后利用壓裂孔作為瓦斯抽放孔，實現多功能。準備階段，對壓裂鉆孔進行通孔作業，用清水反復沖洗，清除孔內沉渣，然后對壓裂設備進行測試。根據膨脹式封隔器的工作原理，采用快速密封技術。根據鉆井過程中對地層巖性的識別，選用導靴、單流閥、壓差滑套和膨脹式封隔器組成的密封工具組合，在孔徑穩定的井段下入。從油管中按壓，可利用水壓快速打開和膨脹橡膠筒，10分鐘內可快速設置封孔工具組合。高壓注水階段采用整體不間斷壓裂，壓裂液選用清水，并詳細記錄壓裂時間、壓力、排量等數據。當注水量達到設計要求時，停止壓裂作業。壓裂結束后，提起油管，切斷封隔器銷，實現解封。壓裂結束后進行保壓，使鉆孔內流體壓力緩慢降低直至恢復平衡，而后打開孔口閥門進行排水作業。

3.4 高轉速空氣螺旋鉆進技術

高轉速空氣螺旋鉆進技術主要是以空氣為介質，利用高轉速鉆機的高速回轉優勢，帶動螺旋鉆桿回轉，同時壓風從鉆桿內孔、鉆頭進入孔底，在孔壁與鉆桿之間的環空形成高速氣固混合氣流，同時煤粉顆粒在高速離心力作用下被懸浮起來，依靠風力舉升作用和螺旋輔助排渣作用將鉆屑輸送至孔外，保證鉆孔排渣通道順暢;同時，壓縮空氣從鉆桿內孔進入，通過鉆頭水口進入孔底后，起到冷卻鉆頭的作用[2]。采用空氣螺旋鉆進技術配套大通徑快插式高葉片螺旋鉆桿施工有以下幾方面的優勢：采用壓縮空氣作為沖洗介質，能夠減小沖洗介質對孔壁的沖擊，有效降低鉆進過程中孔壁坍塌幾率，同時在空氣作用下，便于瓦斯快速釋放和解吸;依靠空氣和螺旋鉆桿高葉片機械推移復合動力進行排粉，排渣效果好，螺旋鉆桿的螺旋葉片在將一部分鉆屑推向孔口的同時，在高速旋轉過程中攪動沉積在孔壁下側的鉆屑，利用空氣及時將鉆屑輸送至孔口，減少重復破碎，減輕鉆具摩擦生熱程度;鉆桿為插接式結構，塌孔后便于可通過正、反轉處理，同時空氣進入后，鉆屑呈氣固兩相流懸浮，在機械推移的作用下，順利排出孔外，降低卡鉆事故發生幾率。

4 結束語

綜上所述，由于我國煤層賦存條件及地層結構較為復雜，采用傳統的瓦斯抽采措施難以滿足礦井瓦斯治理需要。因此，為了提升突出煤層瓦斯治理效率，增加采面回采巷道掘進速度，礦井可以采用多方式聯合瓦斯抽采技術對瓦斯進行治理，并取得顯著的安全效益。

參考文獻

[1] 陳召英.郝海金.郝春生.趙晉斌.田慶玲.煤層氣井地面壓裂和井下長鉆孔聯合抽采技術研究[J].煤炭科學技術，2019，47（08）：142-146.