突出煤層鉆孔深孔通連抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

錢高峰，王豐華

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 四礦，河南 平頂山 467093)

為了防止發(fā)生煤與瓦斯突出事故，降低礦井瓦斯涌出量，并減少煤層氣對環(huán)境的溫室污染效應(yīng)，20世紀50年代瓦斯抽采技術(shù)在各國快速發(fā)展[1]。2019年，我國煤層氣產(chǎn)量達到88.8億m3，雖然我國瓦斯產(chǎn)量大，但是抽采濃度波動大的現(xiàn)狀造成了瓦斯利用率低的現(xiàn)實難題，其中封孔質(zhì)量的好壞直接影響了瓦斯的抽采效果。因此，煤層鉆孔的高效密封技術(shù)研究迫在眉睫。高效的鉆孔抽采技術(shù)能使煤層瓦斯在回采前60%～70%被抽出，實現(xiàn)瓦期抽采達標，確保煤層采掘安全。近幾年，為提高鉆孔瓦斯抽采率，國內(nèi)突出礦井通過科技創(chuàng)新，推出了水力壓裂、水力造穴[2-3]等煤層增透卸壓技術(shù)，大幅度提高了鉆孔瓦斯抽采率。部分礦井為進一步提高鉆孔精準度采用了定向鉆機施工鉆孔[4]，使鉆孔施工和抽采技術(shù)上了一個新的臺階。但煤層是一個承壓體，受地壓影響在施工鉆孔或增透后，鉆孔周邊煤體會經(jīng)過卸壓—成腔—再受壓—再壓實—再平衡的過程，經(jīng)過此過程后成型鉆孔會塌孔壓實，鉆孔周邊煤層透氣性隨之降低，加上鉆孔施工過程中軌跡出現(xiàn)漂移以及抽放工藝存在諸多問題，就會造成鉆孔深部煤體鉆孔雖然施工到位，但抽不出瓦斯。這也是很多大埋深突出礦井在實施鉆孔抽采后，回采過程瓦斯涌出量仍然較大、消突不徹底的原因。

特別是目前國內(nèi)鉆孔抽采工藝沒有統(tǒng)一的標準，《防治煤與瓦斯突出細則》第67條規(guī)定“預抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴密。穿層鉆孔的封孔長度不得小于5 m，順層鉆孔的封孔段長度不得小于8 m”[5]。但對鉆孔封孔、連孔抽采工藝沒有做出明確要求，主要靠礦井自主考察確定。

隨著封孔材料的發(fā)展，國內(nèi)有關(guān)抽采瓦斯鉆孔封孔技術(shù)從20世紀50年代的手工黃泥封孔法[6]發(fā)展到現(xiàn)在的機械式封孔技術(shù)[7]和以聚氨酯、水泥為注漿材料的“兩堵一注”封孔工藝[8-9]。其中，“兩堵一注”封孔時，通常以3～5個鉆孔為1組進行連孔抽采。此種連孔方式解決了封孔抽放中的部分問題，但存在封孔囊袋位置不合理、鉆孔裂隙未完全封實、鉆孔串抽多、支管接口多、鉆孔深部無負壓等問題[10-11]，尤其是長距離鉆孔深部受塌孔和負壓傳遞影響瓦斯無法抽出。例如，平煤四礦己15突出煤層的煤層原始瓦斯壓力小于0.74 MPa，含量低于6 m3/t，煤層厚度1.3～1.5 m，在采用以上封孔抽采工藝時，本煤層孔深90 m鉆孔始抽濃度為30%～50%，單孔流量0.09～0.15 m3/min；抽采3～5 d后，抽放濃度下降到3%～6%，抽放支管濃度只有2%～3%，混合流量達到30～45 m3/min，抽放純量0.6～1.2 m3/min，抽放效果較差。

1 現(xiàn)有封孔、連管存在的問題

1.1 鉆孔封孔標準低，設(shè)計不合理

(1)抽采鉆孔在不同煤種的封孔深度和長度存在差異性，沒有區(qū)別對待。煤層巷道開掘后，受支承壓力的影響，煤壁隨著暴露時間的增加，會形成一條寬度不斷變化的瓦斯預排等值線排放帶，巷道暴露越長，帶寬越大，裂隙就赿發(fā)育。如果在抽采期內(nèi)封孔深度處于巷道等值線排放帶以外，鉆孔在抽采過程中漏氣量會隨著帶寬的增大而增加，抽放濃度會快速衰減。

(2)鉆孔注漿封孔長度達不到要求時，封孔段沒有對鉆孔進行有效隔絕。鉆孔內(nèi)腔通過煤巖裂隙與鉆孔外腔連通，孔內(nèi)腔形不成負壓，無法抽出鉆孔內(nèi)瓦斯。

(3)封孔注漿壓力低，注漿不穩(wěn)壓，封孔強度達不到要求。封孔介質(zhì)未對鉆孔壁裂縫進行黏合、充填或注漿囊袋無排水、排氣裝置，注漿時囊袋內(nèi)積水、存氣，造成封孔水泥柱未注實，留有空縫。

(4)鉆孔封孔未全程下篩管或封孔管采用短管插接方式。此種下管方式：①封孔管不能把抽放負壓傳遞到鉆孔深部；②鉆孔抽放負壓外高里低，抽放負壓未均勻分布。

1.2 鉆孔連孔工藝存在問題

(1)封孔管強度低，在鉆孔注漿或鉆孔塌孔過程中，封孔管被壓扁堵塞，封孔管不透氣，管內(nèi)氣體流動通道被阻斷。

(2)封孔管在孔外與多個鉆孔串、并聯(lián)，抽放管接口多，接頭處漏氣，降低抽放濃度。

(3)封孔管篩眼間距布置不合理，如封孔管篩眼均勻布置或間距小，抽放負壓在鉆孔淺部損失過快，會造成鉆孔深部負壓過低。

1.3 鉆孔施工質(zhì)量及管理差

(1)鉆孔施工質(zhì)量達不到設(shè)計要求，鉆孔軌跡偏移量大，終孔不在預定位置。

(2)孔內(nèi)積水或鉆孔成孔后鉆屑清理不凈，抽放時水煤泥進入封孔管，堵塞管路。

(3)鉆孔抽放濃度低或效果差時未及時查明原因采取補救措施。

以上是造成煤層抽采不達標、抽放效果差的主要原因。

2 鉆孔深孔通連注漿抽采技術(shù)

2.1 合理確定鉆孔封孔深度和長度

根據(jù)巷道預排瓦斯等值線寬度確定封孔深度，按不同煤種對巷道預排瓦斯帶寬度進行考察確定，如無實測值，按式(1)計算：

h=0.808T0.55

(1)

式中，h為巷道預排等值寬度；T為巷道煤壁暴露時間，取300 d。

將數(shù)據(jù)代入公式計算得，h=18.6 m。

按式(1)計算巷道預排瓦斯帶寬度值確定鉆孔封孔深度不少于18 m。另外，封孔深度還要考慮頂(底)板抽放巷施工區(qū)域鉆孔對煤巷掘進時兩側(cè)的穿透控制范圍，超過計算等值排放帶寬度的封孔深度取大值。高抽巷穿層鉆孔布置如圖1所示。

圖1 高抽巷穿層鉆孔布置Fig.1 Drilling layout of high-drainage tunnel crossing layers

封孔長度是另一項避免鉆孔漏氣的措施，為確保鉆孔密封嚴實，在滿足《防治煤與瓦斯突出細則》第67條要求的基礎(chǔ)上，再增加20%～25%的注漿段，確定為10 m，以提高鉆孔封孔嚴密性。

2.2 全孔深下篩管抽采

鉆孔塌孔或封孔管不下到孔底對煤層深部瓦斯抽采影響較大，為達到鉆孔全孔長抽采目的，要保證抽采負壓能傳遞到孔底，采取以下措施：①把封孔管下到孔底，保證鉆孔抽采煤層瓦斯面積增大；②改變封孔管篩眼間距，采用“外疏里密”，即篩眼段2/3眼距是里段眼距的2～3倍，保證抽放負壓在鉆孔外段不過量損失，負壓能傳遞到孔底(圖2)。

圖2 封孔管篩眼布置示意Fig.2 Layout of the sealing pipe screen

另外，為避免封孔管被塌陷鉆孔壓扁，封孔管要選用抗壓強度大于1.6 MPa的PV管。

2.3 通管直連工藝

改變傳統(tǒng)封孔管3 m一根插接式抽采方式，采用“一根管”從孔口下到孔底，孔外直接與抽放管對接的連孔方式，不再采用孔外多個鉆孔串、并聯(lián)等集中連孔后再與抽放支管對接的方式，實現(xiàn)“鉆孔通管、一孔一連”的通管直連接方式。同時，在封孔管與抽放支管對接處采用絲扣標準件連接，實現(xiàn)鉆孔孔內(nèi)與抽放支管的無縫對接，解決了封連鉆孔接口多、漏氣點多的弊端和鉆孔漏氣卸壓問題。鉆孔通管直連封孔如圖3所示。

圖3 鉆孔通管直連封孔示意Fig.3 Schematic of direct connection and sealing of drilling through pipes

2.4 微膨脹“兩堵一注”高壓注漿技術(shù)

鉆孔封孔嚴密性是決定抽放效果的重要環(huán)節(jié)，該封孔工藝采用高密度微膨脹水泥進行注漿，效果較好，注漿參數(shù)：①封孔管直徑32 mm，注漿管直徑8 mm；②封孔管材質(zhì)為PV，抗壓強度大于2.0 MPa；③注漿深度大于10 m，；封孔囊袋長度大于0.8 m；④水泥漿比1∶0.8，水泥膨脹比大于7%；⑤注漿量50 kg；注漿風壓0.4 kPa；⑥穩(wěn)壓時間2 min。

2.5 強化鉆孔施工質(zhì)量及現(xiàn)場管理

(1)查清地質(zhì)條件，掌握煤層賦存規(guī)律，合理設(shè)計鉆孔施工參數(shù)，選擇扭矩匹配鉆機。根據(jù)孔深按規(guī)定對鉆孔進行測斜，掌握鉆孔漂移規(guī)律，校正施工參數(shù)，保證鉆孔施工精準度。

(2)定期測量鉆孔抽采參數(shù)。對鉆孔初始抽放瓦斯?jié)舛人p快，初始抽放濃度低于20%或72 h內(nèi)抽放濃度低于5%的鉆孔，立即采用高壓水透孔、二次封孔或重新補打鉆孔等方式處理。

(3)加強鉆孔積水處理。采用人工和自動放水器放水相結(jié)合的放水方式，強化鉆孔積水管理，對鉆孔長期出水的采用單管立式放水器逐個處理。

(4)支管管路安裝時每200～300 m安裝一個放水裝置，并在巷道低洼處、風流冷熱交匯處安裝放水器。

3 應(yīng)用效果分析

為了考察鉆孔全孔深下篩管和通管直連工藝以及微膨脹高壓注漿技術(shù)的效果，在平煤四礦己15煤層3個月施工2組共計200個本煤層鉆孔。通過對施工鉆孔的連續(xù)跟蹤，記錄測定參數(shù)。優(yōu)化后封孔連管工藝與優(yōu)化前對比，鉆放抽放濃度、單孔抽采濃度、單孔抽放純量和單孔抽放混合量等方面均有顯著變化。

3.1 瓦斯抽采濃度顯著提高

鉆孔封孔工藝優(yōu)化前、后管路抽放濃度對比如圖4所示。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，初始抽放濃度從優(yōu)化前的20%～50%上升到70%～90%，部分鉆孔抽放濃度甚至達到100%。累計抽采時間達到30 d時，濃度保持在50%～70%；累計抽采時間達到60 d時，濃度保持在40%～60%。從圖4(b)可以看出，累計抽采時間到達60 d時，抽放支管瓦斯?jié)舛葟脑械?%～3%上升到9%～10%。

圖4 鉆孔封孔工藝優(yōu)化前、后管路抽放濃度對比Fig.4 Comparison of pipeline drainage concentration before and after drilling and sealing process optimization

從圖4可以看出，鉆孔封連孔工藝改變后，鉆孔初始濃度平均在70%以上，且抽放濃度下降趨勢平緩，未優(yōu)化封孔工藝的鉆孔濃度己下降到3%～5%，封連孔工藝優(yōu)化效果明顯。

3.2 單孔抽放混合流量下降，抽采純瓦斯量升高

鉆孔封孔工藝優(yōu)化前后單孔抽放量對比如圖5所示。從圖5(a)可以看出，封孔工藝改進后，單孔抽放混合量從0.08～0.12 m3/min下降到0.006～0.040 m3/min。從圖5(b)可以看出，抽放純量從0.004～0.006 m3/min提高到0.28～0.04 m3/min。

圖5 鉆孔封孔工藝優(yōu)化前后單孔抽放量對比Fig.5 Comparison of single hole drainage volume before and after optimization of drilling and sealing technology

4 結(jié)論

(1)對平煤四礦己15煤層抽采鉆孔漏氣因素進行了分析，合理加大鉆孔封孔長度和深度，改造了封孔管篩眼布置方式，實施“一孔一管”通管直連工藝，并采用微膨脹“兩堵一注”高壓注漿技術(shù)。

(2)強化現(xiàn)場管理，定期放水，及時修復抽采濃度低的鉆孔，是確保鉆孔抽放效果和不留抽采空白帶的根本保證。

(3)抽采60 d，優(yōu)化后鉆孔瓦斯平均抽放濃度下降趨勢平緩，且比未優(yōu)化封孔工藝的濃度提高了近4倍，單孔抽放純量提高了近6倍。