基于卸壓開采的下向穿層鉆孔抽采瓦斯技術(shù)

何 勇， 肖峻峰

（1．淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司新莊孜煤礦，安徽 淮南 232072；2．安徽建筑大學(xué)安全工程系，安徽 合肥 230022）

開采保護(hù)層是迄今防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的根本措施。對于開采上保護(hù)層，必須對被保護(hù)層進(jìn)行卸壓抽采，才能使被保護(hù)層得到充分卸壓［1－3］。以前卸壓抽采是在被保護(hù)層的底板專門施工專用抽采巷道，在巷道內(nèi)施工穿層鉆孔抽采瓦斯，以達(dá)到充分卸壓的目的，該方法必須投入大量的人力、物力，巷道施工工期長，工藝繁瑣，影響到礦井生產(chǎn)正常接替；而對于沒有或不具備施工底板巷的被保護(hù)層，就必須在保護(hù)層巷道內(nèi)施工下向鉆孔進(jìn)行抽采，下向鉆孔采用泥漿排渣法，由于被保護(hù)層瓦斯壓力大，容易發(fā)生頂鉆、夾鉆和噴孔，致使孔內(nèi)煤巖粉難以排出，造成排渣困難，經(jīng)常發(fā)生埋鉆現(xiàn)象，鉆孔成孔率低，鉆進(jìn)速度緩慢，制約了瓦斯抽采工程的進(jìn)度，且泥漿排渣造成巷道環(huán)境差［4－6］。并且在抽采過程中，由于孔內(nèi)煤巖粉堵塞，造成瓦斯抽采通道不順暢，抽采濃度較低，抽采量衰減快，因此抽采效果差。

在52210工作面開采過程中，為了使B8下被保護(hù)層充分卸壓，采用了52210風(fēng)巷沿空留巷段施工下向穿層鉆孔技術(shù)［7］，實(shí)現(xiàn)了卸壓瓦斯抽采最大化。

1 試驗地點(diǎn)概況

新莊孜煤礦52210工作面標(biāo)高－556m～－612m，走向長600m，傾斜長130m，傾角為22～26o，B10煤層為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄煤層，煤厚結(jié)構(gòu)為0．2～0．4（0．2～0．7）0．6～1．2m，為非突出煤層，預(yù)計原始瓦斯含量7m3／t。平均厚度0．8m，與上覆B11b煤層間距28m，與下伏B8煤層間距40m，B11b煤和B8煤均為強(qiáng)突煤層。預(yù)計52210工作面絕對瓦斯涌出量為58．3m3／min。

52210工作面采用二進(jìn)一回沿空留巷Y型通風(fēng)方式。在瓦斯治理措施上，對上覆B11b煤層的卸壓瓦斯采用傾向穿層鉆孔攔截，對B8煤層采取下向鉆孔抽采卸瓦斯措施，形成了立體式抽采模式。

2 下向鉆孔施工技術(shù)

2．1 施工技術(shù)參數(shù)的確定

鉆孔在沿空留巷內(nèi)并滯后于工作面20～30m施工。工作面回采后，由于煤層頂?shù)装灏l(fā)后變形產(chǎn)生裂隙，煤巖層含水量大大減少，鉆孔施工時，孔內(nèi)積水量有效減少。

為最大限度地抽采B8煤層的卸壓瓦斯，在52210留巷段每隔15m布置一組下向穿層鉆孔，每組3個孔，呈條帶狀布置，孔深均為穿過B8煤層并進(jìn)入底板1m，孔底間距為15m，呈條帶狀布置，每組鉆孔長度160m，下向穿層鉆孔與其它鉆孔共同覆蓋B8煤層被保護(hù)范圍，聯(lián)合抽采卸壓瓦斯，鉆孔參數(shù)見表1。下向穿層鉆孔布置示意圖詳見圖1。

表1 52210風(fēng)巷下向穿層鉆孔施工參數(shù)表

圖1 下向鉆孔布置示意圖

2．2 施工設(shè)備的選型

52210工作面開采后，B8受采動影響煤巖體發(fā)生變化，裂隙變大，堅固性大大降低，煤巖體變軟，加上常用的風(fēng)壓較小，造成孔內(nèi)排水、排渣困難，施工過程中垮孔嚴(yán)重，容易埋鉆、夾鉆甚至丟失鉆頭。本次施工選用KQJ120潛孔鉆機(jī)，專門安裝一臺9～13Mpa移動式空氣壓縮機(jī)，封孔泵為ZBL－50／40－7．5KW漏斗式注漿泵。潛孔鉆機(jī)是用高壓風(fēng)為動力，利用鉆頭的振動將巖石磨碎，并通過壓風(fēng)將粉塵排出鉆孔，解決了孔內(nèi)排渣和埋鉆的難題，通過使用潛孔鉆機(jī)配備大功率空氣壓縮機(jī)的施工工藝，每小班鉆進(jìn)由原來的15m提高到100m，鉆進(jìn)速度提高了6倍多，鉆孔量的增加大幅度提高了B8煤層卸壓瓦斯抽采量，并杜絕了工作面瓦斯超限的現(xiàn)象。

2．3 施工工藝

選用KQJ120潛孔鉆機(jī)，首先使用153mm大直徑復(fù)合片鉆頭自沿空留巷煤層底板向下形成擴(kuò)孔段10m，在擴(kuò)孔段中下內(nèi)套管完成護(hù)孔，內(nèi)套管的孔徑102mm、內(nèi)套管深度10m，在內(nèi)套管的外壁與巖石之間注漿形成封孔段，然后再換90mm的鉆頭在內(nèi)套管中進(jìn)一步向下鉆進(jìn)直至孔底。

利用移動空氣壓縮機(jī)，增加風(fēng)壓，使用高壓風(fēng)施工和排渣，提高鉆進(jìn)速度。

封孔段要求密實(shí)不漏氣，封孔段采用高壓封孔泵注漿封孔。為了使內(nèi)套管不受損且便與合茬，內(nèi)套管的上端管口應(yīng)適當(dāng)高于下向穿層鉆孔的孔口（具體見圖2、圖3）。

圖2 沿空留巷下向穿層鉆孔施工工藝圖

圖3 沿空留巷下向穿層鉆孔孔口平面圖

2．4 粉塵防治

配備空氣壓縮機(jī)施工下向鉆孔，加快了鉆孔施工進(jìn)度，但是現(xiàn)場回風(fēng)側(cè)煤塵飛揚(yáng)，粉塵濃度高，作業(yè)環(huán)境惡劣，使用孔口環(huán)形噴霧和多道全斷面凈化噴霧降塵效果較差，給生產(chǎn)組織帶來極大的不便，嚴(yán)重危害了人身健康，并有可能引起煤塵爆炸，給礦井安全帶來嚴(yán)重威脅。為消除安全隱患，發(fā)明并使用了孔內(nèi)快速降塵器，首先采用Φ153mm鉆頭開孔深度1m以上，然后將孔內(nèi)快速除塵器放入孔內(nèi)并固定牢固，鉆機(jī)正常進(jìn)尺前，通過球閥配比好風(fēng)、水流量，以除塵輔助管末端除塵孔噴出霧狀噴霧為準(zhǔn)，適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，以鉆孔返出的煤屑手捏成團(tuán)為宜，如鉆屑量大，應(yīng)適當(dāng)加大水量。

通過孔內(nèi)快速降塵器的使用，鉆孔內(nèi)的高濃粉塵在鉆孔內(nèi)部得到降低和消除，經(jīng)過測塵，52210后風(fēng)巷正常粉塵濃度為4．3mg／m3，不使用除塵裝置施工鉆孔時，回風(fēng)側(cè)粉塵濃度為94mg／m3，使用孔內(nèi)快速降塵器后再次測定回風(fēng)側(cè)粉塵濃度為10．3mg／m3，孔內(nèi)除塵率高達(dá)93．3%，有效地降低和減少粉塵的危害，大大改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，提高了鉆孔施工效率，消除了重大安全隱患。

3 抽采效果

由于B8煤層距B10煤層層間距40m，風(fēng)巷下向穿層鉆孔是在采后留巷中施工，基本上抽采B8采動卸壓瓦斯。圖4顯示了典型的下向穿層鉆孔抽采瓦斯情況。從圖4可以看出，單孔抽采瓦斯量基本在0．2m3／min，最大約0．45m3／min，鉆孔穩(wěn)定的高濃度瓦斯抽采時間約20～30d，抽采的煤層氣濃度高達(dá)60～90%。工作面回采100m后，底部遠(yuǎn)程B8卸壓煤層的抽采煤層氣部量6～8m3／min。

圖4 下向穿層鉆孔單孔抽采瓦斯量情況

52210風(fēng)巷施工下向鉆孔抽采卸壓B8煤層瓦斯，鉆孔控制范圍內(nèi)煤層瓦斯得到充分抽采卸壓，52210工作面對應(yīng)B8煤層鉆孔控制卸壓區(qū)域的瓦斯抽采率達(dá)到51．84%，殘余瓦斯含量降到了6．7m3／t。

4 主要結(jié)論

（1）52210工作面工程實(shí)踐表明，下向穿層鉆孔單孔抽采瓦斯量基本在0．2m3／min，最大約0．45m3／min，鉆孔穩(wěn)定的高濃度瓦斯抽采時間約20～30d，抽采的煤層氣濃度高（60～90%），瓦斯抽采率51．84%，可實(shí)現(xiàn)下伏被保護(hù)層的卸壓瓦斯的抽采最大化。

（2）針對松軟煤巖層大傾角下向鉆孔施工，鉆孔應(yīng)在沿空留巷內(nèi)滯后工作面20～30m施工，并采取合理的施工工藝，完全能解決長鉆孔、大孔徑的施工難題。

（3）保護(hù)層開采采用“Y”型通風(fēng)沿空留巷技術(shù)，同時配合下向穿層鉆孔立體式抽采瓦斯，能有效實(shí)現(xiàn)瓦斯治理規(guī)范化、瓦斯抽采最大化。

1 程遠(yuǎn)平，俞啟香．中國煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2007，24（4）:383－390．

2 袁亮．遠(yuǎn)松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2008．

3 付建華，程遠(yuǎn)平．中國煤礦煤與瓦斯突出現(xiàn)狀及防治對策［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2007，24（3）:253－259．

4 程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香．中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2009，26（2）:127－139．

5 司春風(fēng)．下向鉆孔抽采被保護(hù)層煤巷條帶瓦斯的工藝技術(shù)研究［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（3）:65－69．

6 孟賢正，李成成，張永將，等．上保護(hù)層開采卸壓時空效應(yīng)及被保護(hù)層抽采鉆孔優(yōu)化研究［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（1）:26－31．

7 袁亮．留巷鉆孔法煤與瓦斯共采技術(shù)［J］．煤炭學(xué)報，2008，33（8）:898－902．