松軟煤層抽采鉆孔護(hù)孔技術(shù)探討

陳彝龍，黃文軍

（1.江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所，江西 南昌330029；2.江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 沿溝煤礦，江西 樂平333304）

對于原始瓦斯含量高、壓力大且透氣性低的煤層來說，開采保護(hù)層結(jié)合鉆孔預(yù)先抽采煤層瓦斯措施是高效抽采瓦斯，防治煤與瓦斯突出的有效方法。但對于松軟煤層，順層和穿層預(yù)抽鉆孔施工過程中容易垮孔、堵孔，造成鉆孔有效利用段少，服務(wù)時間短，無法抽采鉆孔深處的煤層瓦斯，因而抽采瓦斯?jié)舛鹊?，流量不穩(wěn)定，不能達(dá)到預(yù)期抽采效果。

1 抽采鉆孔護(hù)孔前后應(yīng)力分析

1.1 鉆孔周圍應(yīng)力分布

通常情況下，把鉆孔周圍的煤巖體看成是完全均質(zhì)的連續(xù)彈性體，把均質(zhì)連續(xù)無限或半無限彈性體中鉆孔周圍應(yīng)力分布問題作為平面問題進(jìn)行分析。隨著側(cè)壓系數(shù)λ不同，會出現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)，但孔兩側(cè)的切向應(yīng)力集中系數(shù)會處于2～3之間，孔的頂、底部切向應(yīng)力集中系數(shù)會處于－1～3之間（集中系數(shù)小于0即出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)）。

圖1 孔塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

鉆孔形成后，孔周圍煤體集中切向應(yīng)力大于煤體本身抗壓（拉）或抗剪強(qiáng)度，孔周圍出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，并將形成破裂區(qū)、塑性區(qū)〔1〕（見圖1）。同時受煤層瓦斯徑向流場或球向流場瓦斯壓力的作用〔2〕，煤體殘余強(qiáng)度小于瓦斯壓力時，孔周圍一定范圍破裂區(qū)、塑性區(qū)煤體將垮落（即為垮落區(qū)）。此時，煤層鉆孔將出現(xiàn)垮孔、堵孔等現(xiàn)象。

1.2 垮孔后鉆孔周圍應(yīng)力分布

由于煤層松軟，垮落區(qū)范圍擴(kuò)大，垮落區(qū)煤體喪失承載能力，孔周圍煤體應(yīng)力重新分布，破裂區(qū)、塑性區(qū)往深部發(fā)展。即鉆孔周邊煤體的垮落，擴(kuò)大了鉆孔對周圍煤體的影響。

1.3 護(hù)孔后應(yīng)力分布

若在鉆孔施工完成后，預(yù)計(jì)垮孔前，即在鉆孔中預(yù)先導(dǎo)入一特制鋼管或塑管，則即使鉆孔垮孔，管道內(nèi)空間也將不受影響，即護(hù)孔。

由于煤具有碎脹性（碎脹系數(shù)KP），鉆孔垮落區(qū)煤體將填充鉆孔與管道間空隙，并沿孔周圍形成一定范圍的垮落區(qū)。若設(shè)鉆孔半徑為r0，護(hù)孔半徑為r，設(shè)垮落區(qū)半徑為R（見圖2），則：

由上式可知，當(dāng)r→r0時，R→r0，即當(dāng)護(hù)孔半徑等于鉆孔半徑時，煤體不發(fā)生垮落，垮落區(qū)最?。划?dāng)r→0時，R→r0，即不護(hù)孔時，垮落區(qū)最大，但垮落煤體將填實(shí)鉆孔。

圖2 護(hù)孔后孔周圍變形區(qū)及應(yīng)力分布

由上分析可知，若抽采鉆孔內(nèi)導(dǎo)入一定管徑的管道，既能消除鉆孔垮孔、堵孔的問題，又能擴(kuò)大鉆孔對周圍煤體的影響。

2 護(hù)孔技術(shù)試驗(yàn)使用

2.1 試用工作面概況

沿溝煤礦位于萍樂坳陷帶東北端，開采煤層為上三迭統(tǒng)安源組，為煤與瓦斯突出礦井，歷史上曾發(fā)生過多起煤與瓦斯突出事故。七2、八1、八2為可采煤層，一、二、三、四、五、六、七1、九1為局部可采煤層。煤層瓦斯含量平均為19.72m3／t；煤層瓦斯壓力為0.15～3.25MPa；煤層透氣性系數(shù)為0.000125～0.0062m2／atm2·d，屬于較難抽采瓦斯煤層。

圖3 瓦斯抽采穿層鉆孔護(hù)孔示意

30702工作面位于30采區(qū)上區(qū)段，走向長260m，傾斜寬92m，標(biāo)高為－270m～－340m（見圖3），平均煤厚3 m，煤層傾角43°～50°，瓦斯含量5.94～7.75m3／t。該采煤工作面作為保護(hù)層開采，經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域被保護(hù)煤層預(yù)計(jì)可抽采瓦斯量分別為：無名煤層瓦斯量93959m3，八1煤層瓦斯量875950m3，八2煤層瓦斯量518851m3。

圖4 瓦斯抽采順層鉆孔護(hù)孔示意

23823采煤工作面作為被保護(hù)層開采工作面位于23采區(qū)下區(qū)段，走向長420m，傾斜寬55m，標(biāo)高為－220m～－260m（見圖4），平均煤厚3m，煤層傾角40°～50°，瓦斯含量5.77～8.9m3／t。經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域被保護(hù)煤層預(yù)計(jì)可抽采瓦斯量分別為：無名煤層瓦斯量93959m3，八1煤層瓦斯量724185m3，八2煤層瓦斯量89725m3。工作面部分為小煤窯濫采破壞。因此，23823機(jī)巷局部采取區(qū)域條帶預(yù)抽的方式進(jìn)行順層瓦斯抽采。

2.2 工作面瓦斯抽采鉆孔的施工

在30702工作面－340機(jī)巷布置9個頂板（七煤）抽采鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置21個穿層抽采鉆孔，孔深29～83m，累計(jì)抽采鉆孔深為9910m，噸煤鉆孔量為0.08 m／t。在30702工作面－270風(fēng)巷布置24個抽采鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置3個水平穿層鉆孔，孔深47～91 m，累計(jì)抽采鉆孔深為4896m，噸煤鉆孔量為0.04m／t，抽采鉆孔孔徑均為75mm。

在23823工作面－270機(jī)巷布置5個本煤層順層條帶預(yù)抽鉆場，每個抽采鉆場向頂板布置25個順層抽采鉆孔，孔深11～60m，累計(jì)抽采鉆孔深為4900m，噸煤鉆孔量為0.5m／t，抽采鉆孔孔徑均為75mm，經(jīng)效果檢驗(yàn)5次后，瓦斯含量值均小于8m3／t。

2.3 抽采鉆孔的護(hù)孔技術(shù)工藝

護(hù)孔管的選擇既要保證管道質(zhì)量可靠，能長距離順利送入井，又要經(jīng)濟(jì)上合理，且不影響瓦斯抽采鉆孔流量和流速。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，選用Φ＝33mm的塑管作為抽采鉆孔的護(hù)孔管。護(hù)孔時，首先采用5m長的Φ＝57 mm的塑管對孔口進(jìn)行護(hù)孔，防止孔口因巷道頂?shù)装鍋韷憾鴮?dǎo)致鉆孔變形，發(fā)生堵孔。然后采用與鉆孔同樣長度的護(hù)孔管送入孔中，同時在塑管距煤層頂板2m處鉆若干蜂窩狀小孔。最后用聚胺脂封孔劑把施工好的鉆孔孔口封好，保證各鉆孔間不竄孔，不漏氣。

3 取得的效果

通過采取護(hù)孔技術(shù)，礦井瓦斯抽采技術(shù)指標(biāo)得到明顯提高（見表1），延長了抽采鉆孔的使用壽命，減少采動過程中的超前壓力影響，消除了鉆孔通過軟巖層、煤線、泥巖及斷層帶時的塌孔、堵孔現(xiàn)象，提高了鉆孔瓦斯抽采效果，為低濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目保證了充足的氣源。截止2011年4月18日，30702工作面共為地面瓦斯發(fā)電站提供了104.2萬m3瓦斯量，取得了較好的效果。截止2011年3月8日，23823機(jī)巷共為地面瓦斯發(fā)電站提供了8.9萬m3瓦斯量，取得了比較好的效果。

表1 30702工作面試用護(hù)孔瓦斯抽采技術(shù)前后比較

表2 23823工作面試用護(hù)孔瓦斯抽采技術(shù)前后比較

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的采用增大抽采瓦斯鉆孔孔徑、增加鉆孔暴露煤體面積來提高瓦斯抽采量相比，護(hù)孔措施在原有鉆孔暴露煤體面積的基礎(chǔ)上，利用增大垮落區(qū)來增加鉆孔對煤體的卸壓區(qū)，達(dá)到增加煤層透氣性的效果。

通過理論分析和應(yīng)用，對于煤質(zhì)松軟、瓦斯含量高、瓦斯壓力大的煤層，若抽采鉆孔內(nèi)導(dǎo)入一定管徑的特制管道，既能消除鉆孔垮孔、堵孔的問題，延長鉆孔使用壽命，又能擴(kuò)大鉆孔對周圍煤體的影響，提高瓦斯抽采效果。

〔1〕錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制〔M〕，徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

〔2〕俞啟香.礦井瓦斯防治〔M〕，徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.