高位裂隙鉆孔在回采工作面瓦斯治理中的應用

（晉中市煤礦安全信息中心 山西 030600）

引言

據不完全統計，我國煤炭由井工開采的占97%左右，并且在煤炭開采強度、深度越來越大的背景下，煤炭生產過程中地質構造、瓦斯、水害、粉塵以及地溫等因素的風險隱患也不斷增高。尤其是瓦斯，對礦井、采煤工作面的瓦斯抽采問題備受行業內人士的關注。煤礦瓦斯是礦井下危險性極高的氣體，主要特點就是易燃易爆炸，CH4是其重要組成部分，同時也是一種清潔高效的能源。因此，如何對煤礦井下瓦斯進行抽采并對其進行有效利用是一大難題。相關專家學者為此提出了多個辦法，比如：增大風量將瓦斯濃度進行稀釋、在工作面增打瓦斯釋放孔、封堵進風隅角防止漏風等，但是發現高位裂隙鉆孔抽取回采工作面的方式效果最為顯著。因此，對該瓦斯治理方式進行研究具有重大現實意義。

1.高危裂隙鉆孔抽采瓦斯機理概述

采空區上覆巖層在運動時，按照每個巖層運動性質的不同垂直方向，可將其分為三部分，即“三帶”：垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，水平方向則是具備三個區，分別是煤壁支撐影響區、離層區以及重新壓實區。

隨著采空區域“豎三帶”的生成，上覆巖層中也會漸漸出現離層裂隙與豎向破斷裂隙，垮落帶隨采隨垮，有著極大的裂隙空間，位于裂隙帶中的破斷巖層塊，排列十分整齊，碎脹系統極小，生成大批紛雜交錯的裂隙，尤其是彎曲下沉帶巖層最為密集。隨著采空區“橫三區”的生成，煤層上覆巖層通常會在煤壁前方30-40m左右的位置開始變形，而且水平移動也十分劇烈，然而垂直移動可以忽略不計。當回采完畢該區域之后，“豎三帶”生成環節中垂直位移迅速增加，因為每個層位的位移速度存在差異，所以極易出現層間離層。

采空區“三帶”所構建的空間與1個多孔介質空間類似，與空氣相比，CH4密度較小，其會在裂隙帶內成為高濃度的瓦斯，垮落帶的瓦斯濃度相對較低。支撐影響區由于采動因素導致原始裂隙擴大，垂直裂隙不斷增多，這為瓦斯垂直流動創造了條件；而離層區則是為瓦斯水平流動創造了條件[1]。所以，在裂隙生成密集的巖層層位并且可以抽采濃度較高的瓦斯，高位裂隙鉆孔終孔落位決定在裂隙帶內，因此，對采空區上覆巖石的變形破壞規律進行研究分析，明確采空區上覆巖石“三帶”中垮落帶的具體高度是運用高位裂隙鉆孔抽放瓦斯的基本前提。

2.定向裂隙帶長鉆孔設計與施工流程

將煤礦使用雙履帶式全液壓定向鉆機的作用功能予以全面發揮，對巖層、煤層進行精準定位，保證鉆孔軌跡與施工設計方案一致，實現預期抽放目標。通過定向裂隙帶長鉆孔抽采對采煤工作面回采期間的瓦斯進行治理。

(1)鉆孔設計參數

①終孔距頂板高度

結合相關理論進行分析，高位鉆孔具體位置可布設于裂隙帶中，與采高相比，裂隙帶是其高度的8-10倍左右，但是因為頂板巖性不一致，所以裂隙帶的高度也大不相同。其中裂隙帶高度應當根據煤場煤層厚度、巖層柱狀圖以及巖石成分性質予以確定，而高位裂隙鉆孔終孔高度則需要結合現場施工情況以及抽采成效來確定。

②終孔距巷幫深度

根據巷道卸壓圈范圍是巷道寬度的3倍或4倍，可確定終孔與巷幫之間的最小值。通常情況下，高位裂隙鉆孔終孔位置與回風巷的間距在工作面傾斜長度的1/3及以下，通過對鉆機長度、巷道寬度以及施工現場的實際情況進行考慮，可將鉆孔間距控制在8m左右，然后結合現場具體狀況以及抽采成效，確定高位裂隙鉆孔的終孔距巷幫最佳深度。

③鉆場間距

結合煤層參數與現場施工環境，首先確定鉆場數量以及鉆場之間的距離，并參考該間距確定每個鉆場的鉆孔數量。因為回采工作面超前支護不得低于20m，所以每組鉆孔搭接長度也要在20m及以上，確保高位裂隙鉆孔的抽采成效達到預期。

(2)鉆孔施工工序

筆者建議選擇先定向、后擴孔的方案，主要是為了與采煤工作面定向長鉆孔終孔直徑設計孔深要求相符。

①開孔、下孔口套管、固管。在對孔口套管段進行施工時，可選擇常規鉆桿配套Φ120mm的四翼平底PDC定向鉆頭開孔[2]。鉆場鉆孔應當根據設計方位角、傾角予以操作，待其鉆至10m距離之后停止鉆孔，并將鉆頭取出，之后再安裝常規鉆桿配套Φ193mm的螺旋刀翼型PDC擴孔鉆頭進行擴孔操作，也是控制在10m左右，提鉆之后，將長10m、直徑Φ160mm的鐵管孔口套管向下探入，該鐵管孔口套管包括四個短節，其中每個短節2.5m，注漿固管套管的過程中，相關工作人員還需要對各個深度鉆孔予以注漿加固。

②針對鉆孔四周裂縫，通過注漿方式對其進行堵塞加固，等到水泥完全凝固且超過24小時之后再對定向裂隙帶長鉆孔予以施工。

③定向鉆孔施工。應用中心通纜鉆桿配有線隨鉆測量裝置、孔底馬達以及Φ120mm定向鉆頭配套復合定向鉆進工藝技術，對定向裂隙長鉆孔進行施工，直至與設計方案中的孔深相符，孔徑可控制在120mm左右。

④全孔段擴孔鉆進。選擇常規鉆桿配套Φ153mm的螺旋刀翼型PDC擴孔鉆頭，采取回轉擴孔鉆進技術對全孔段進行擴孔操作，將終孔直徑控制在153mm左右。

⑤完成全孔段擴孔鉆進環節后，即刻對4#、6#鉆孔下篩管。選擇常規送鉆桿方式對配套Φ89mm的篩管進行全孔段下放。

⑥連接抽采管路。等到全部鉆孔都完工之后，與抽采系統進行緊密連接，開展后續工作。

(3)封孔工藝

各個鉆孔開孔、擴孔、下入孔口套管之后，可優先選擇水泥砂漿封孔法，詳細操作如下：

①在選擇孔口時，可選取帶法蘭盤，直徑160mm，長度6m，予以孔口固管，在該過程中，應當將注漿管與排氣管同一時間封入孔內，方可上好套管法蘭盤。

②封孔材料：購買專用的封孔管、封孔泵、注液管、排氣管、封孔袋、速凝水泥，其中注液管與排氣管的規格為Φ20mm。

③封孔工藝：一定要應用封孔泵進行動力封孔。將封孔袋纏繞于孔口套管的孔口部位，其寬度控制在0.5m及以上，外端封孔袋外側與封孔管口部位相距0.5m，封孔管外露0.2m，注意，封孔袋需要用12#鐵絲進行捆綁。

④以充分滿足各個鉆孔封孔設計深度需求為前提，選擇長度合適的注液管與排氣管，規格皆為Φ20mm，與孔口套管同時封進鉆孔開孔段，Φ20mm管裸露在外不得超過100mm。

⑤壓注水泥量：速凝水泥和水的比例是2:1。

⑥封孔完工之后，凝固時間不得少于24h。

⑦封孔要求：A.一定要選擇帶壓封孔方式，封孔壓力至少為4MPa；B.若是孔口四周有滲液出現，那么一定要及時對孔口套管進行二次加固，即注漿；C.應用間歇性多次注漿方式對裂隙進行全方位的填充，遵循先使用稀漿，后使用稠漿的方式實時帶壓注漿，確保鉆孔四周的密實性。

3.高位裂隙鉆孔在回采工作面瓦斯治理中的實例應用分析

潞安集團慈林山煤業有限公司李村煤礦1301工作面屬于井田一采區，其應用了綜合機械化后退式回采工藝，全部垮落法處理頂板，選擇的是“U”行風方式，配風量是2871m3/min。按照煤炭科學總院制定的瓦斯預測對1301工作面的瓦斯量進行了檢測，其中最大瓦斯含量是11.95m3/t。相關管理負責人為了降低頂板裂隙瓦斯涌出量，決定對高位裂隙鉆孔技術進行應用。首先是布置鉆場，高位鉆場布置在1301回風順層側煤壁處，鉆場長、深、高分別為：4.5m、4.0m、2.5m，一共設置了6個高位鉆場，間距為50m[3]。其次是鉆孔，在鉆場煤壁位置設置一排高位裂隙鉆孔，分別是1#、2#、3#、4#，鉆孔施工在鉆場煤壁位置，與頂板相距1m，鉆孔間距也是1m，孔洞直徑為85mm，邊孔距幫距是0.5m。然后是擴孔，對鉆好的孔洞進行擴孔操作，擴孔深度是11m，直徑是110mm，擴孔完成后，將4根PE瓦斯抽放管安裝在鉆孔內，相鄰兩根選擇絲扣方式進行連接。之后將16mm注漿軟管埋設在管和孔壁之間，埋管長度是6m，注漿軟管埋入之后分別在擴孔段底部和孔口處選擇膨脹水泥予以封堵，封堵長度是0.5m。最后將灌漿泵和注漿軟管進行連接，灌注水泥石膏漿。

應用完高位裂隙鉆孔技術之后，1301工作面機道處平均瓦斯濃度不足0.8%，上隅角平局瓦斯濃度不足0.5%，頂板裂隙瓦斯含量減少到7%以下，采空區內瓦斯濃度減少到3%以下，且工作面沒有發生瓦斯超限短電問題，這為工作面回采工作的安全性、高效性提供了良好保障。

4.結束語

應用高位裂隙鉆孔技術對回采工作面高濃度瓦斯進行治理，首先要結合煤層厚度、采面開采情況設置鉆場和鉆孔分布，其次是要做好擴孔、封孔工作，大量實踐證明，該方式能夠減小瓦斯體積分數，提升瓦斯抽采效果，對瓦斯治理效果顯著。