突出煤層穿層鉆孔抽采瓦斯應(yīng)用技術(shù)研究

李 明

（山西煤礦安全監(jiān)察局救援指揮中心，山西 太原030210）

山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司所采3＃煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，根據(jù)最新實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出礦井要根據(jù)自身開采情況，采取綜合防突技術(shù)措施，治理區(qū)域瓦斯，并且抽采經(jīng)校檢合格后，方可進(jìn)行掘進(jìn)、采煤等作業(yè)。由于胡底煤業(yè)井田內(nèi)僅3＃煤層可采，沒有開采解放層進(jìn)行消除突出危險(xiǎn)性的條件，所以，在煤層巷道掘進(jìn)過程中，只能利用煤層頂板或底板巖巷施工穿層鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行消突，掩護(hù)煤巷掘進(jìn)。因此，研究突出煤層穿層鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，對(duì)胡底煤業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司井田東西長(zhǎng)12.06km，南北寬9.75km，井田面積為58.37km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6Mt／a。礦井采用斜立混合的開拓方式，共劃分為四個(gè)采區(qū)，其中一采區(qū)為礦井回采區(qū)；二、三采區(qū)為礦井準(zhǔn)備區(qū)；四采區(qū)為礦井規(guī)劃區(qū)。根據(jù)河南理工大學(xué)對(duì)3＃煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的評(píng)估結(jié)論，礦井瓦斯含量為23.23～25.8m3／t，殘存瓦斯含量為5.12m3／t；最大瓦斯壓力為3.83MPa；煤層透氣性系數(shù)為13.03m2／MPa2·d；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0396d－1，百米鉆孔初始瓦斯流量0.0506m3／min.hm，孔隙率體積0.121m3／t，井田范圍內(nèi)的3＃煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。由于胡底煤業(yè)不具備開采保護(hù)層的條件，因此，選擇地面煤層氣井瓦斯抽采、開拓巷道穿層鉆孔瓦斯抽采、工作面順槽穿層鉆孔瓦斯抽采、千米定向鉆機(jī)瓦斯抽采、工作面順層鉆孔瓦斯抽采，再結(jié)合回采工作面邊采邊抽、工作面順槽先抽后掘及采空區(qū)瓦斯抽采等綜合抽采方法，其中穿層鉆孔抽采是主要消突工程之一。

2 穿層鉆孔瓦斯抽采方案

2.1 開拓巷道穿層鉆孔瓦斯抽采

胡底煤業(yè)回風(fēng)大巷為煤巷，如果只靠掘進(jìn)工作面進(jìn)行瓦斯抽采消突，所需時(shí)間較長(zhǎng)，而且效果難以保證，因此在回風(fēng)大巷掘進(jìn)前，可以利用布置在巖層中的軌道大巷和膠帶大巷向上（下）施工穿層鉆孔對(duì)回風(fēng)巷需要掘進(jìn)的區(qū)段煤層進(jìn)行預(yù)抽，在軌道大巷和膠帶大巷里每隔40m施工一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔一般為3～5排，每排15～20個(gè)鉆孔，鉆孔開孔間距0.5m，終孔間距為5～10m，鉆孔終孔超過最遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)煤巷外側(cè)20m（水平投影距離）。開拓巷道穿層鉆孔布置見圖1。

圖1 開拓巷道穿層鉆孔示意

2.2 下向穿層鉆孔瓦斯抽采

首采盤區(qū)利用東西石門作為盤區(qū)巷道，兩翼布置條帶式工作面進(jìn)行回采，利用布置在巖層中的順槽向下施工穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。在頂板巖巷里每隔40m左右施工一鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)鉆孔一般為3～6排，每排5～8個(gè)鉆孔，鉆孔終孔間距一般為5m左右（見圖2）。

圖2 下向穿層鉆孔示意

3 抽采鉆孔施工技術(shù)

3.1 施工機(jī)具

選擇西安研究院的ZDY1200S分體鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)，主要由分主機(jī)、操縱臺(tái)和泵站三部分組成。主機(jī)由動(dòng)力頭，夾持器和支撐架組成。該鉆機(jī)可以在±90°范圍內(nèi)全方位使用，拆卸、搬運(yùn)方便且在工作中可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，大大提高鉆孔施工過程中的安全性。

施工穿層鉆孔需要穿過較硬巖層時(shí)，施工難度大，鉆孔軌跡不宜控制，可先用小鉆頭施工穿過較硬巖層后更換擴(kuò)孔鉆頭將鉆孔擴(kuò)大至設(shè)計(jì)孔徑。自動(dòng)擴(kuò)孔鉆頭在鉆孔施工過程中見軟后彈出擴(kuò)孔切片，施工穿層鉆孔時(shí)可擴(kuò)大煤段鉆孔孔徑，提高瓦斯抽放效率，不需特意退鉆更換鉆頭提高鉆孔施工進(jìn)度。當(dāng)鉆孔成孔較差，退鉆后塌孔導(dǎo)致不能正常抽放瓦斯時(shí)，需要在塌孔段下套管對(duì)鉆孔進(jìn)行支撐，確?？變?nèi)瓦斯流通，從而提高抽放效果。一般在鉆桿退出鉆孔后很難將套管塞入孔內(nèi)，此地段使用下套管專用鉆頭，鉆孔施工到位后將套管由鉆桿送至鉆頭時(shí)可將鉆頭開閉位置頂開后將套管下至孔內(nèi)。

在鉆機(jī)開鉆前，利用鉆機(jī)自帶液壓支柱頂實(shí)確保鉆機(jī)均勻受力、牢固可靠。如作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法豎立壓柱，則選擇在鉆機(jī)前后施工地錨，用花蘭螺絲和錨鏈與鉆機(jī)拉緊固定。如果鉆機(jī)穩(wěn)固不牢，鉆孔施工過程中易造成折斷鉆桿或鉆孔軌跡不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成串孔、抽放盲區(qū)、損壞孔口四通等事故。

3.2 孔口四通安裝工藝

孔口四通由Φ100mm四通、Φ100mm鐵管、Φ100mm花管、氣囊（風(fēng)筒）、氣水分離器和密封皮墊構(gòu)成?？卓谒耐▽⑹┕さ你@孔與空氣隔絕，與瓦斯抽放系統(tǒng)聯(lián)通。通過抽放負(fù)壓將施工鉆孔過程中孔內(nèi)涌出的瓦斯直接抽入抽放系統(tǒng)，杜絕巷道瓦斯超限事故。當(dāng)施工過程中鉆孔噴孔時(shí)孔口氣囊有一定的緩沖作用，可降低因噴孔造成的巷道瓦斯超限事故。風(fēng)力排渣施工鉆孔時(shí)，氣水分離器有一定的降塵作用?？卓谒耐ㄒ妶D3。

圖3 孔口四通示意

在安裝工藝過程中，先用Φ113mm鉆頭施工至少1m的擴(kuò)孔深度，而后將白布（長(zhǎng)×寬＝1.0m×0.5m）裹至Φ100mm鐵管，將500ml聚氨酯（A、B膠）按照1∶1配比好，在反應(yīng)的同時(shí)立即倒入白布內(nèi)，并將Φ100mm鐵管插入鉆孔?；蛴媚拘ǎ緱l）將Φ100mm鐵管固定于孔內(nèi)（鐵管在孔內(nèi)要保持平直），鐵管接通抽放系統(tǒng)，將500ml聚氨酯（A、B膠）按照1∶1配比好均勻倒在Φ100mm管與孔壁的裂隙口，通過抽放負(fù)壓將聚氨酯吸入裂隙內(nèi)。待聚氨酯膨脹反應(yīng)后，使用8＃鐵絲或鋼絲繩將孔口鐵管固定于幫錨桿活網(wǎng)片上（避免噴孔造成孔口鐵管脫落傷人事故）。用Φ100mm法蘭將孔口鐵管與Φ100mm花管（上）和氣水分離器（下）連接。將直徑600mm長(zhǎng)度約0.8～1 m的風(fēng)筒兩頭固定在Φ100mm花管兩頭（氣囊）。更換設(shè)計(jì)孔徑鉆頭送至孔內(nèi)，用法蘭盤夾上皮墊來封堵鉆桿與孔口四通間的裂縫。將Φ100mm花管和氣水分離器接入抽放系統(tǒng)，根據(jù)孔內(nèi)瓦斯涌出情況調(diào)節(jié)抽放閥門控制負(fù)壓，見煤后閥門必須開至最大。

3.3 “兩堵一注”封孔工藝

封孔前，必須先將孔口段清理干凈。將囊袋封孔管接入抽放系統(tǒng)后塞入孔內(nèi)用水泥砂漿封堵孔口，封堵深度不低于0.3m。檢查封孔泵的風(fēng)管、注漿管連接，連接口必須全部使用合格的U型銷，不得使用條絲代替。持續(xù)氣囊充氣，帶充氣槍壓力表顯示達(dá)到0.3～0.4MPa之間并保持穩(wěn)定后，方可停止充氣。充氣結(jié)束后，不可拆下逆流裝置，保持氣囊鼓起狀態(tài)，直至注漿凝固結(jié)束。封孔材料見圖4。

圖4 封孔材料

3.4 施工異常情況處理

（1）鉆進(jìn)過程中，若發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出異常、煤巖松軟、鉆孔涌水異常、頂鉆、有毒有害氣體傷人等情況時(shí)，不得拔出鉆桿，應(yīng)立即切斷電源，待采取相應(yīng)措施后方可施工。

（2）返水不正常。

① 孔口不返風(fēng)（水），高壓風(fēng)（水）壓力表顯示壓力過大。存在問題：a、鉆頭堵；b、孔內(nèi)塌孔堵。解決辦法：a、退鉆捅透鉆頭；b、退鉆反復(fù)沖孔。

② 孔口不返風(fēng)（水），高壓風(fēng)（水）壓力表顯示壓力正常。存在問題：穿孔或通過裂隙等泄壓。解決辦法：尋找泄壓點(diǎn)，然后采取措施封堵；若不具備封堵條件，則退鉆重新開孔。

③ 孔口不返風(fēng)（水），其它地點(diǎn)漏風(fēng)（水）。解決辦法：封堵漏風(fēng)（水）點(diǎn)或退鉆重新開孔。

（3）塌孔嚴(yán)重。存在問題：坍塌的煤巖屑與瓦斯混合體在鉆頭處形成煤渣塞。解決辦法：a、反復(fù)前后拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆桿，間段送風(fēng)（水）；b、退鉆更換螺旋葉片更大的鉆桿重新施工。

（4）撈鉆。

① 由于操作不當(dāng)出現(xiàn)發(fā)生掉鉆桿事故（鉆桿完好）。原因：a、施工過程中反轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆桿脫節(jié)；b、施工下行鉆孔拆卸鉆桿時(shí)夾持器未夾住鉆桿，鉆桿自重掉入孔內(nèi)。解決辦法：加鉆桿推至掉鉆桿位置時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆桿，使鉆桿絲扣套牢。

② 鉆桿折斷在孔內(nèi)。原因：a、鉆機(jī)穩(wěn)固不牢，鉆機(jī)移位導(dǎo)致鉆桿別勁折斷；b、巖石過硬時(shí)給進(jìn)壓力過大折斷鉆桿。解決辦法：鉆桿前方接撈鉆工具與孔內(nèi)鉆桿接觸并套牢。

4 抽采效果分析

為檢驗(yàn)胡底煤業(yè)回風(fēng)大巷穿層鉆孔抽放效果，通過統(tǒng)計(jì)從軌道大巷、運(yùn)輸大巷施工的鉆孔抽采量及檢測(cè)回風(fēng)大巷掘進(jìn)施工中的煤體殘余瓦斯含量及煤壁瓦斯涌出量分析穿層抽放效果（以回風(fēng)大巷為例）。

1）通過對(duì)鉆孔抽放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析可知：在3個(gè)月的抽放時(shí)間內(nèi)，穿層鉆孔共抽放瓦斯30.3×104m3，瓦斯抽放率為53%，鉆孔抽放效果較為理想。

2）通過測(cè)定回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中迎頭前煤壁殘余瓦斯含量（共檢測(cè)20個(gè)正規(guī)循環(huán)作業(yè)，其中每個(gè)循環(huán)作業(yè)的掘進(jìn)進(jìn)尺為20m），所檢測(cè)20次煤壁平均殘余瓦斯含量為5.9m3.t－1。

3）在回風(fēng)大巷施工中，掘進(jìn)迎頭的瓦斯?jié)舛葲]有超過0.8%以上的斷電事故發(fā)生。

通過以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：胡底煤業(yè)回風(fēng)大巷穿層鉆孔抽放效果達(dá)到了消突目的，保證了回風(fēng)大巷的安全施工。

5 結(jié)語(yǔ)

1）利用原有開拓巖石巷道做穿層鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽放，減少了礦井底板抽放巷工程量，在節(jié)約成本的同時(shí)，有效的保證了煤巷的安全掘進(jìn)。

2）3個(gè)月的抽放時(shí)間內(nèi)，穿層鉆孔共抽放瓦斯30.3×104m3，瓦斯抽放率為53%，鉆孔抽放效果理想，可以在礦井其它區(qū)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。