三軟低透氣煤層瓦斯抽采鉆孔工程精細管理

張飛虎

（鄭州煤炭工業集團有限責任公司，河南 鄭州 450000）

一直以來，煤炭是我國主體能源和重要基礎產業，是我國能源發展的壓艙石。事故統計表明，瓦斯是井下安全開采的最大威脅，特別是在重特大事故中，瓦斯類事故發生最頻繁、造成死亡人數最多[1]。目前，多數礦井進入深部開采，面臨的瓦斯問題更加嚴峻，從安全、能源、環保3個方面考慮，都需要進一步提高煤與瓦斯共采水平[2]。

我國大部分高瓦斯礦區煤層透氣性差，煤層增透是解決瓦斯抽采瓶頸問題的關鍵，保護層開采卸壓[3]、水力化措施[4]等增透技術得到快速發展。此外，抽采鉆孔提濃增量、瓦斯抽采參數精準監控與智能控制抽采等關鍵技術也是提高抽采水平的有效途徑[5]。

鄭煤集團公司告成煤礦開采煤層為豫西三軟低透氣煤層，具有煤層透氣性差、煤體松軟易碎、鉆孔成孔難、流量衰減快的特點，為此應用了水力壓裂、水力擴孔綜合增透措施、鉆孔水力修復增透、水力沖孔與深孔預裂爆破耦合增透等技術。近年來，告成煤礦通過強化過程管控、提高裝備投入、應用技術創新等技術手段，對瓦斯抽采鉆孔工程進行精細管理，提高了瓦斯治理效果，可為突出危險性強、煤層透氣性差、構造條件復雜的同類礦井實現安全高效開采提供借鑒。

1 告成煤礦瓦斯治理發展

（1）第1階段。開采的二1煤層為單一煤層，不具備開采保護層的條件。2005年被鑒定為突出礦井后，初期采用順層鉆孔預抽煤巷條帶、回采區域煤層瓦斯及采空區埋管抽釆的方式進行瓦斯抽釆。在采用順層鉆孔治理瓦斯中存在一些問題難以解決：①受滑動構造影響，煤層底板起伏變化大，部分地點鉆孔控制不到位，局部出現消突空白帶；②順層鉆孔施工與煤巷掘進同步作業，施工時與煤巷掘進相互影響，易造成掘進工作面退路不暢通；③順層鉆孔施工時排粉量大，鉆孔易堵孔、護孔困難，鉆孔成孔率低；④順層鉆孔不具備增透卸煤條件，無法進行卸煤增透作業，抽采效果差，只能密集孔作業；⑤隨著切巷長度的增加，工作面回采區域部分順層鉆孔難以控制到位，空白帶仍需施工穿層鉆孔進行瓦斯治理，而順層和穿層鉆孔同時施工時，極易出現串孔，產生CO，造成鉆孔報廢。

（2）第2階段。自2009年開始，告成煤礦堅持“瓦斯治理巖巷先行”的區域瓦斯治理理念，逐步取消了順層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施，瓦斯抽采主要采取“底板抽放巷+穿層預抽鉆孔”的方式，實現了向底板巖巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施的全面轉變。

（3）第3階段。除鉆孔布置方式外，礦井瓦斯治理效果受到煤層條件、技術措施、管理等多方面因素的影響。在瓦斯治理過程中，告成煤礦逐步形成了工程總體布局、底抽巷系統獨立、穿層鉆孔全覆蓋預抽、高壓割縫增透、兩堵一注封孔、水力修復、塊段達標、以用促抽的瓦斯綜合治理技術路線。通過強化瓦斯防治關鍵環節管控、踐行“一個鉆孔就是一個工程”，對瓦斯抽采進行精細管理，確保瓦斯治理效果達標。

2 瓦斯抽采鉆孔工程精細管理措施及效果

2.1 鉆孔施工全過程管控

從鉆孔設計—開孔—施工—驗收—分析著手，全過程規范和細化每個環節，從根源上消除空白帶，提高設計的針對性、準確性和效果的可靠性。

在鉆孔施工階段，穿層鉆孔設計從分單元鉆孔參數設計細化為單組鉆孔參數設計；鉆孔開孔利用姿態儀配合激光開孔定向儀精準定位；利用打鉆視頻全程監控鉆孔退桿、卸煤、護孔等關鍵環節，確保鉆孔進尺、卸煤量等數據真實可靠；及時對鉆孔施工參數、測斜結果進行上圖分析，杜絕消突空白帶。

在鉆孔抽采階段，對始抽濃度低、封孔質量差、有效抽采期短的鉆孔，通過現場察看、調閱視頻資料及施工記錄等方法進行分析，查找鉆孔設計、施工工藝、現場管控等方面存在的問題，利用鉆孔修復技術、補打鉆孔等方式提高抽采率，保障消突效果。

2.2 三軟低透氣煤層增透技術改進

2017年之前，告成煤礦主要以沖孔卸壓增透技術實現煤層增透、增大抽采半徑、提高抽采效率，但是存在沖孔后煤層的透氣性仍然很差的問題，只有通過增加鉆孔工程量和泄煤量實現瓦斯抽采達標，增加了治理周期和成本。之后，告成煤礦引進了水力割縫技術，并在25011底抽巷開展水力割縫技術試驗，割縫鉆孔施工前后周邊抽采鉆孔濃度變化如圖1所示。

圖1 割縫鉆孔施工前后周邊抽采鉆孔濃度變化Fig.1 Changes in the concentration of surrounding drainage holes before and after kerf drilling construction

由圖1可以看出，水力割縫孔施工后，周邊抽采鉆孔濃度得到明顯提升，割縫對提高鉆孔抽采效果具有顯著作用。在試驗段，割縫鉆孔高效抽采期較水力沖孔鉆孔平均延長1個月。

2.3 瓦斯抽采鉆孔水力修復及二次增透技術

告成煤礦煤體松軟，塌孔、堵孔現象嚴重。當瓦斯抽采孔施工一段時間后，在圍巖應力場、瓦斯壓力和煤體裂隙弱面的作用下鉆孔易發生塌孔、堵孔，造成抽采濃度、流量降低。為保障抽采效果，有必要采取二次增透措施，疏通鉆孔護孔管內腔及周邊煤體裂隙，提高瓦斯抽采量，延長鉆孔的使用壽命。

瓦斯抽采鉆孔水力作業機結構如圖2所示。一方面，利用高壓射流對瓦斯抽采管內部堵塞煤粉進行沖洗，修復鉆孔通道；另一方面，高壓水射流破開瓦斯抽采管，會對鉆孔周圍煤體進行擾動，形成新的卸壓區域，實現瓦斯抽采孔的二次增透。

圖2 瓦斯抽采鉆孔水力作業機結構Fig.2 Structure of hydraulic working machine for gas extraction drilling

在13221A工作面，利用3個車場作為底板巖巷，采取穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯。盡管施工中已采用水力沖孔卸壓增透，抽采期間部分鉆孔濃度降低迅速。而在使用水力作業機對衰減鉆孔進行修復及二次增透后，抽采效果明顯提升，割縫前后抽采管內抽采量變化如圖3所示。由圖3可以看出，抽采量和抽采濃度有明顯提高。工作面從開始回采至回采結束，預測驗證q值最大為3.39 L/min、S值最大為3.4 kg/m、回風流瓦斯濃度在0.1%～0.45%，均小于控制值，實現了工作面安全高效無障礙回采。

2.4 優化封孔工藝

告成煤礦傳統的封孔工藝是采用聚氨酯封孔，之后改進為囊袋式兩堵一注封孔工藝。目前，正在試驗推廣兩堵兩注通管直連封孔工藝、管柱法帶壓注漿封孔工藝。新封口工藝的封孔材料為高膨脹應力凝膠劑和微膨脹注漿料，在試驗段與囊袋式兩堵一注封孔工藝抽采鉆孔瓦斯濃度進行了對比測試，結果如圖4所示。由圖4可以看出，采用新型管柱封孔工藝抽采鉆孔瓦斯濃度相較于囊袋式兩堵一注封孔方式有明顯提高。新經過封孔工藝和封孔材料的不斷改進，鉆孔封孔成孔漏氣現象大大減少，始抽瓦斯濃度大幅度提升，抽采效果明顯提升。

圖3 割縫前后總孔板濃度、流量變化曲線Fig.3 Change curve of total orifice plate concentration and flow rate before and after slitting

3 治理效果

通過規范抽采標準、強化過程管控、裝備投入、技術創新、精準考核等手段，瓦斯治理效果得到提高，底抽巷鉆孔始抽濃度、地面瓦斯抽采泵站抽采濃度得到明顯提升，如圖5、圖6所示。

通過瓦斯抽采鉆孔工程全過程精細管理，瓦斯治理由治得住向治得好、治得快轉變。回采工作面單產水平由原來的單產7.30萬t/月提高到10.20萬t/月，為礦井實現一井一面生產格局奠定了基礎。煤巷進尺速度由原來72 m/月提高到100 m/月以上，為礦井正常接替提供了保障。

4 結語

告成煤礦開采豫西三軟低透氣煤層，煤層透氣性差、煤體松軟易碎、鉆孔成孔難、流量衰減快，造成瓦斯抽采困難。為提高瓦斯治理效果，對瓦斯抽采鉆孔工程全過程進行精細管理。穿層鉆孔設計細化

圖4 新型管柱封孔工藝與囊袋式兩堵一注封孔工藝抽采濃度對比Fig.4 Comparison of the extraction concentration between the new type of string sealing technology and the bag-type two-plug and one-injection sealing process

圖5 2017年、2019年底抽巷支管抽采濃度對比Fig.5 Comparison of the extraction concentration of the extraction tunnel and branch pipes at the end of 2017 and 2019

圖6 2017年、2019年地面瓦斯抽采泵站抽采濃度對比Fig.6 Comparison of drainage concentration of surface gas drainage pumping stations in 2017 and 2019

為單組鉆孔參數設計，利用姿態儀和激光開孔定向儀對鉆孔開孔精準定位，視頻全程監控鉆孔退桿、卸煤、護孔等關鍵環節，改進煤層增透技術，并對低濃度鉆孔進行修復以提高抽采量，不斷優化封孔工藝，有效提高抽采濃度和抽采量，保障了礦井安全、正常接替。告成煤礦瓦斯抽采鉆孔工程全過程精細管理實踐，可為突出危險性強、煤層透氣性差、構造條件復雜的同類礦井實現安全高效開采提供借鑒。