回采工作面瓦斯抽采鉆孔布置技術研究

李文正

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

伯方煤礦3206 綜采工作面位于礦井二盤運輸巷右翼，該工作面走向長度1475 m，傾向長度156 m。工作面開采3#煤層，煤層厚度3.32～7.56 m，均厚5.45 m，煤層傾角3°～6°，平均5°，煤層硬度系數0.3。工作面直接頂為粉砂巖，厚度5.6 m；基本頂為中粒砂巖，厚度4.8 m；直接底為細粒砂巖，厚度1.5 m；基本底為泥巖與砂質泥巖互層，厚度4.4 m。工作面最大絕對瓦斯涌出量為7.63 m3/min，煤層透氣性系數0.28 m2/MPa2·d，百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.046 2 L/min·hm，衰減系數0.028 7 d-1，屬典型高瓦斯工作面，且煤層硬度系數低、透氣性差、瓦斯抽采困難。工作面瓦斯治理主要采取順層鉆孔瓦斯抽采及頂板高位裂隙鉆孔瓦斯抽采，根據相鄰的3207 工作面回采期間瓦斯治理效果得知，采取的順層鉆孔存在塌孔及漏氣嚴重等情況，頂板高位裂隙鉆孔存在瓦斯抽采純量偏低情況。為避免同類問題出現在3206工作面，需研究各項瓦斯治理措施存在的問題，并研究優化方案[1-3]，以確保瓦斯治理的效果。

2 順層鉆孔抽采存在問題分析與優化

2.1 順層鉆孔抽采存在問題分析

根據順層鉆孔施工工藝及預抽原理，對順層鉆孔采取了孔內窺視、封孔效果及管路連接方面的分析：

1）在鉆孔窺視方面，鉆孔成孔并全部退桿后，立即采用CXK12 礦用鉆孔窺視儀窺視孔內情況。窺視結果發現，在鉆孔成孔退桿后，即發生局部塌孔現象，距離孔口最近的塌孔發生在12～15 m 段，因塌孔堵死鉆孔造成可窺視的最大深度僅為38 m左右。窺視結果表明，順層鉆孔因煤體松軟，易發生塌孔、堵孔現象，導致下篩管深度受限，是影響順層鉆孔預抽效果的一個重要原因。

2）在鉆孔封孔效果及管路連接方面，對抽采過程中的鉆孔漏氣情況進行檢查，發現存在以下幾個方面的問題：① 鉆孔封孔深度為8 m，該封孔深度無法對孔口破碎范圍及破碎區以里的裂隙區實現全程封堵，導致抽采過程中從孔口煤壁向孔內漏氣，降低了抽采負壓及瓦斯抽采濃度；② 孔內套管連接方式為PVC 管插管的方式進行連接，連接不夠牢固導致氣密性相對較差，加上后期受煤壁變形擠壓影響，易發生管路變形甚至從連接處脫落，導致有效抽采深度降低；③ 用于連接各順層鉆孔抽采管路的管箍皮墊易老化，導致后期管路漏氣較多，影響抽采負壓。

2.2 順層鉆孔抽采措施優化

2.2.1 順層鉆孔護孔措施優化

由于煤層硬度系數較低，加上鉆進過程中對煤體的擾動，導致鉆孔成孔退桿后易發生塌孔現象，采用常規下篩管護孔較為困難，且下篩管深度受限，難以達到護孔的要求。為此，研究一套壓風鉆進以及鉆桿內下篩管的技術，并首先在地面進行可行性試驗，具體試驗內容：1）采用與順層鉆孔孔徑一致的有機玻璃管，并在管內充填松軟的煤屑，長度與順層鉆孔深度一致。2）在管內每30 m 安裝一個壓力傳感器，以采集不同孔深處的壓力數據。3）在有機玻璃管中部安裝一個微型攝像頭，記錄壓風鉆進過程中煤粉在孔內鉆桿與孔壁間的運動規律。4）在有機玻璃管內實施鉆進過程以及退桿過程中在鉆桿內下篩管的試驗。試驗結果表明，采用直徑32 mmPVC 篩管通過成孔退桿后立即下管，可實現鉆孔全程下篩管，實現順層鉆孔的全程護孔，有效防止塌孔，保證有效預抽深度。

2.2.2 封孔與聯孔措施優化

通過在3206 工作面運輸順槽試驗不同深度的封孔預抽效果，試驗結果表明，封孔深度達到12 m以后能夠杜絕順層鉆孔封孔段煤壁漏氣問題。為保證后期預抽防漏氣的可靠性，將封孔深度確定為16 m，采用“兩堵一注”封孔工藝，孔口以里8～16 m段進行封孔。

針對PVC 管插管連接存在的管路變形及脫落問題，將PVC 管更換為高壓膠管，連接方式優化為環形卡連接。更換為高壓膠管后，管路耐壓能力強且不會壓裂，環形卡連接牢固可靠，不會出現脫落問題。

針對各支管連接存在的管箍皮墊易老化導致的漏氣問題，將連接管箍優化為法蘭盤連接，可保證鉆孔預抽期內各支管連接的密封性。

3 頂板裂隙鉆孔抽采存在問題分析與優化

3.1 頂板裂隙鉆孔抽采存在問題分析

由于工作面頂板巖層層理較發育，工作面回采后頂板垮落較為充分，加上部分頂板裂隙鉆孔設計層位不合理，未達到設計高度的鉆孔易發生隨頂板下沉現象，導致抽采失效。根據以往工作面頂板裂隙鉆孔抽采瓦斯純量數據可知，單孔抽采純量通常在5 m3/min 以下，難以滿足采空區瓦斯治理要求，是上隅角及回風流瓦斯濃度偏高的一個主要原因。其次是鉆場布置不合理，頂板裂隙鉆孔設計孔深為115～120 m，鉆場間距為80 m，因此，每組鉆孔的超前覆蓋區域為35～40 m，單孔有效抽采距離較短，鉆孔利用率較低。此外，因鉆場間距較大，只能采用單個鉆場逐個抽采的方式，存在上一循環鉆孔已塌孔，而下一循環鉆孔無法抽采到該區域的問題。因此，必須優化鉆場間距，并修改鉆孔參數，以確保頂板裂隙鉆孔瓦斯抽采的高效性。

3.2 鉆孔參數優化方案

鉆孔參數優化前，設計終孔距煤層頂板垂高為16～28 m。為確保鉆孔有效抽采段位于頂板裂隙帶內，通過對工作面采高、頂板各巖層物理力學特征計算得知，工作面回采后頂板垮落帶高度為18～24 m，裂隙帶高度為18～40 m 區域，垮落高度呈工作面中部向兩巷方向逐漸降低的趨勢。因此，根據頂板垮落高度規律，將頂板裂隙鉆孔參數修改為終孔距煤層頂板垂高20～35 m。

3.3 鉆場布置優化

為充分發揮鉆場的作用，有效提高每組鉆孔的抽采能力，通過結合每組鉆孔的有效抽采距離，在鉆孔深度不變情況下將鉆場間距調整為50 m，使每組鉆孔能夠有效覆蓋前兩個鉆場。此外，鉆場間距調整為50 m 后，可采取兩個鉆場通過聯管的方式進行同時抽采，避免出現抽采空白區域的情況，實現連續瓦斯抽采，降低采空區瓦斯濃度，從而降低工作面上隅角及回風流瓦斯濃度。優化后的鉆孔及鉆場布置如圖1。

圖1 頂板裂隙鉆孔及鉆場優化后布置圖（m）

4 效果分析

4.1 順層鉆孔優化后效果分析

按照順層鉆孔措施優化方案，將封孔與聯孔措施優化后，在3206 工作面運輸順槽進行現場實施，并對實施后的2021 年6 月至2022 年2 月間逐月平均瓦斯抽采濃度進行數據采集，同時對采用普通封孔及聯孔工藝的3207 工作面2021 年3 月至7 月間順層鉆孔預抽情況進行統計。優化前后的抽采效果對比如圖2。

圖2 順層鉆孔優化前后瓦斯抽采濃度柱狀圖

由圖2 可知，采用普通封孔及聯孔工藝的3207工作面順層鉆孔最高瓦斯抽采濃度21%，5 個月后下降至7.5%，不僅抽采濃度偏低，而且抽采濃度衰減較快。3206 工作面的順層鉆孔通過對鉆孔護孔、封孔及聯孔方面進行優化后，最高瓦斯抽采濃度達到34%，9 個月后下降至22%，優化后的順層鉆孔不僅瓦斯抽采濃度大幅提高，而且能夠維持長期較高的瓦斯抽采濃度，優化后效果明顯。

4.2 頂板裂隙鉆孔優化效果分析

按照頂板裂隙鉆孔措施優化方案，在3206 工作面回風順槽進行方案實施，并對同時抽采的3 號鉆場、4 號鉆場內鉆孔瓦斯抽采純量進行統計，繪制了圖3 所示的數據變化曲線圖。

圖3 3206 工作面頂板裂隙鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線圖

由圖3 可知，3206 工作面頂板裂隙鉆孔按照優化方案實施后，3 號鉆場內最高瓦斯抽采純量達到11.4 m3/min，其平均瓦斯抽采純量計算結果為7.6 m3/min；4 號鉆場內最高瓦斯抽采純量達到13.5 m3/min，其平均瓦斯抽采純量計算結果為8.3 m3/min。與優化之前的平均瓦斯抽采純量不足5 m3/min 有大幅提高。此外，3 號、4 號鉆場同時抽采，抽采效率成倍提升。

4.3 工作面上隅角及回風流瓦斯治理效果分析

為驗證順層鉆孔及頂板裂隙鉆孔優化后工作面瓦斯治理的效果，對3206 工作面回采期間的上隅角及回風流瓦斯濃度進行采集統計，統計結果如圖4。

圖4 3206 工作面上隅角及回風流瓦斯濃度情況

根據3206 工作面上隅角及回風流瓦斯濃度數據統計可知，2022 年1 月12 日至2 月12 日工作面回采期間，上隅角最高瓦斯濃度0.67%，平均瓦斯濃度0.48%,；回風流最高瓦斯濃度僅在1 月19 日老頂來壓期間達到0.6%，其余時間最高瓦斯濃度不超過0.5%，平均瓦斯濃度0.36%。工作面上隅角及回風流最高瓦斯濃度均未因超限影響工作面安全生產。

5 結論

采取孔內下篩管可有效防止塌孔；將PVC 管更換為高壓膠管，并優化連接方式，可保證抽采管路連接的氣密性；適量加深封孔深度，可有效解決孔壁漏氣問題；通過縮小鉆場間距、調整終孔距煤層距離以及兩個鉆場同時抽采等措施，可實現頂板裂隙帶瓦斯連續抽采，保證較高的瓦斯抽采純量，解決工作面及回風流瓦斯濃度較高問題。通過對順層鉆孔抽采措施優化及頂板裂隙鉆孔布置優化后，工作面瓦斯治理效果顯著，未出現瓦斯超限情況，實現工作面安全高效生產。