頂板走向抽采鉆孔的綜合應(yīng)用及優(yōu)化分析

陳德忠

摘要：頂板走向鉆孔抽采效果關(guān)鍵取決于鉆孔參數(shù)及封孔工藝，而鉆孔參數(shù)與工作面采高、煤層傾角、頂板巖性等多個(gè)因素 有關(guān)，封孔工藝與注漿長(zhǎng)度、質(zhì)量有關(guān)。某礦一個(gè)工作面頂板走向鉆孔參數(shù)及封孔工藝的優(yōu)化，增大了鉆孔抽采效果，實(shí)現(xiàn) 了抽采最大化，同時(shí)“一孔多用”，為防火保駕護(hù)航，可為類似工作面提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：頂板走向；抽采鉆孔；應(yīng)用；分析

中圖分類號(hào)：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）06-0105-01

頂板走向鉆孔是切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道，改變采 空區(qū)流場(chǎng)分布，減少采空區(qū)瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯積 聚的有效辦法；更是對(duì)采空區(qū)防火治理措施的有效補(bǔ)充。

1 頂板鉆孔的作用及工作面概況

1.1 頂板鉆孔作用

根據(jù)礦壓理論，煤層開采后其頂?shù)装鍘r層發(fā)生冒落移動(dòng)，當(dāng)上

覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動(dòng)裂隙區(qū)劃可分為“豎三帶”，即

采動(dòng)區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

對(duì)高瓦斯礦井，頂板走向鉆場(chǎng)治理瓦斯已經(jīng)成為主要治理方式 之一。實(shí)質(zhì)就是利用鉆場(chǎng)布置高位鉆孔抽采采空區(qū)冒落帶及裂隙帶 的瓦斯，解決上隅角瓦斯大面積積聚和回風(fēng)流瓦斯超限問題。另外 利用頂板鉆孔注防火材料也是解決采空區(qū)自然發(fā)火隱患最有效的措 施。

如何合理布置鉆孔，達(dá)到最佳抽有效果，并且實(shí)現(xiàn)上述對(duì)頂析 走向鉆孔提出的綜合要求，是我們此次研究成果的重點(diǎn)?，F(xiàn)就結(jié)合 我礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析和總結(jié)。

1.2 工作面概況

某礦1111（3）綜采工作面采煤方法為后退式綜合機(jī)械化采煤。

采用單 U 形通風(fēng)系統(tǒng)工作面風(fēng)流穩(wěn)定可靠，工作面供風(fēng)量約 1950

m3/min，該面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量11～16m3/min，回風(fēng)濃度平

均 0.46%～0.62%。

2 工作面初采期間頂板鉆孔的設(shè)計(jì)及綜合效果分析

2.1 初期頂板走向鉆孔設(shè)計(jì)

頂板鉆場(chǎng)在上風(fēng)巷下幫以底板為基準(zhǔn)按35°向上施工7m變平，

斜巷段巷道凈寬為 2.5m，凈高為 2.4m（梯型）；到位后再施工 5.6 （寬）*4.5（深）*2.4（高）m 頂板鉆場(chǎng)平臺(tái)。頂板鉆場(chǎng)和斜巷巖 性好時(shí)采用錨網(wǎng)支護(hù)，巖性差時(shí)采用架棚支護(hù)。

1～2 號(hào)鉆場(chǎng)各施工 20 個(gè)瓦斯抽采鉆孔，孔徑均為直徑 108mm。 鉆孔的層位布置在距13-1煤層頂板 25～35m 的裂隙帶內(nèi)，傾向方向 控制到上風(fēng)巷向下 40m。具體鉆孔施工和封孔工藝為：鉆孔先用直 徑 133mm的鉆頭進(jìn)行施工，施工深度不小于 12m，然后再用直徑94mm 鉆頭施工到設(shè)計(jì)孔深，鉆孔施工完畢采用直徑 2.5 吋的鐵管 13m 作 為孔口管，前端1m 為花管，兩端用聚氨酯進(jìn)行封堵實(shí)，采用水泥注 漿泵注水泥漿進(jìn)行封孔，封孔深度不小于12m。

2.2 鉆孔綜合效果分析

該工作面回采期間，工作面正常生產(chǎn)時(shí) 2～3 刀，瓦斯絕對(duì)涌出

量為11～16 m3/min，回風(fēng)流瓦斯在0.4～0.6%，上隅角瓦斯積聚嚴(yán)重。 工作面過鉆場(chǎng)期間，上隅角及回風(fēng)巷瓦斯較大，處于臨界狀態(tài)。瓦 斯抽采效果不佳，已嚴(yán)重制約了安全生產(chǎn)。頂板鉆孔的科學(xué)分析已 刻不容緩，通過初采期間的瓦斯抽采各種資料分析發(fā)現(xiàn)多方面因素 影響鉆孔的瓦斯抽采效果。如頂板巖性、回采工藝、地質(zhì)構(gòu)造、抽 采鉆孔孔數(shù)、開孔及終孔布置的巖層位置、鄰近鉆場(chǎng)中的鉆孔接茬 關(guān)系、施工及封孔工藝等。

3 鉆孔終孔高度的確定

采煤工作面采空區(qū)內(nèi)覆巖的移動(dòng)破壞，在豎直方向上通常劃分

為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。裂隙帶和冒落帶是瓦 斯積聚的空間之一，也是瓦斯流動(dòng)的主要通道。在自然狀態(tài)下，由 于 CH4 密度比空氣小，會(huì)自然上浮，存在于采動(dòng)裂隙 O 型圈內(nèi)。在 未抽采時(shí)，在通風(fēng)負(fù)壓和采空區(qū)漏風(fēng)流作用下涌向工作面上隅角和 回風(fēng)巷造成瓦斯超限。現(xiàn)由于頂板走向鉆孔的終孔位置布置在冒落 帶以上的裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，又處于 O 型圈中上部，所以利用抽采泵負(fù) 壓動(dòng)力對(duì)鉆孔進(jìn)行抽采，相當(dāng)于在鉆孔終端形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，截?cái)?了瓦斯流向采煤工作面通道，改變了采空區(qū)流場(chǎng)分布，使大量的采 空區(qū)瓦斯經(jīng)鉆孔進(jìn)入抽采系統(tǒng)，減少采空區(qū)瓦斯向工作面上隅角的涌出，降低回采工作面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛取?/p>

鉆孔高度計(jì)算：根據(jù)分析鉆孔主要是抽采采空區(qū)冒落事及裂隙

帶的瓦斯，由此可見鉆孔層位決定抽采效果。所以鉆孔終孔最好布 置在冒落帶頂部和裂隙帶中下部。

4 鉆孔孔數(shù)的確定

鉆場(chǎng)內(nèi)空間有限，合理布置鉆孔數(shù)量相當(dāng)關(guān)鍵，鉆孔數(shù)量過多

開孔不便，封孔不嚴(yán)，同時(shí)還相互存在擾動(dòng)，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效 果。

通過分析發(fā)現(xiàn)鉆孔終孔高度在 13～21m 時(shí)抽采效果最佳。同時(shí)終 孔高度在 13m 時(shí)與下一個(gè)鉆場(chǎng)壓茬孔之間出現(xiàn)了一個(gè)低抽采瓦斯?jié)?度和高抽采混合量的抽采“空白帶”，如果加大壓茬鉆孔長(zhǎng)度把這段 給覆蓋，由于鉆孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)導(dǎo)致鉆孔在每段的垂高會(huì)越來越低，從 而影響鉆孔最佳的抽采效果。為此經(jīng)過綜合分析，在這個(gè)“空白帶” 處布置 4 個(gè)鉆孔進(jìn)行抽采，既達(dá)到了抽采效果又解決長(zhǎng)鉆孔的不利 面。

5 鉆孔封孔工藝的確定

封孔工藝是提高抽采濃度和抽采量的關(guān)鍵。目前主要采用聚胺

酯材料封孔。如果封孔質(zhì)量不高、漏氣，抽采濃度不高，抽采負(fù)壓 不大，抽采效果就差。該面由于部分頂板走向鉆孔在地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū) 域內(nèi)施工，裂隙較發(fā)育，打鉆后按常規(guī)封孔方法效果不佳，鉆孔抽 采濃度難達(dá)到預(yù)定要求，且濃度衰減很快。原先鉆孔施工到位下套 管聚氨酯封堵孔口，注水泥漿液返漿管返漿結(jié)束。而實(shí)際情況分析： 水泥漿液凝固會(huì)產(chǎn)生收縮縫造成漏氣現(xiàn)象，周邊裂隙封堵不嚴(yán)。該 種工藝封孔成功率低，鉆孔濃度衰減快；一旦封孔失敗，需重新補(bǔ) 孔，增加工作量。因此針對(duì)此種情況對(duì)鉆孔施工及封孔工藝進(jìn)行了 優(yōu)化。

5.1 鉆孔施工前先按設(shè)計(jì)參數(shù)使用φ133mm鉆頭施工12m停鉆， 取出鉆桿，再用φ168mm 鉆頭擴(kuò)孔，擴(kuò)孔 12m 后，用風(fēng)（水）沖洗 鉆孔內(nèi)的煤巖粉，取出鉆桿；下自制的φ108mm 套管封孔10m，用聚 銨酯封孔固定牢固。

5.2 套管孔口段用聚氨酯固定牢固，安裝自制變頭進(jìn)行全孔注 漿封堵周邊裂隙。水泥漿的水灰比為 0.7：1，為了更有效封堵裂隙， 提高注漿封孔效果，采用間隙性注漿方式，即先對(duì)鉆孔進(jìn)行一次注 漿，間隔 1 個(gè)小時(shí)后，對(duì)鉆孔進(jìn)行二次注漿，此次注漿標(biāo)準(zhǔn)為壓力 達(dá)到 6Mpa，且漿液注不進(jìn)去為止，注好后等待漿液凝固（18-24 小 時(shí)）。

5.3 待注好的漿液凝固后，用φ94mm 鉆頭在封孔管內(nèi)按照原角 度重新開孔，鉆孔直接施工到設(shè)計(jì)終孔點(diǎn)，用風(fēng)（水）沖洗鉆孔， 確保鉆孔內(nèi)沒有巖粉。取出孔內(nèi)鉆桿，為防止垮孔提高抽采效果全 程下1（或 2）吋護(hù)孔花管。

6 抽采效果檢驗(yàn)

通過鉆孔優(yōu)化和封孔工藝等一系列新措施和新方法實(shí)施后，抽

采瓦斯?jié)舛扔辛撕艽蟮奶岣?，抽采效果明顯，現(xiàn)鉆場(chǎng)施工鉆孔數(shù)減 少4 個(gè)，初期抽采單孔瓦斯?jié)舛染?70%以上，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

通過上述參數(shù)的調(diào)整及封孔工藝優(yōu)化后，工作面后期抽采量達(dá) 到 4.5 m3/min，鉆場(chǎng)抽采總瓦斯?jié)舛冗_(dá) 40～70%，抽采率達(dá) 65%， 實(shí)現(xiàn)了抽采最大化，有效的瓦斯治理保證了該面的安全生產(chǎn)。

結(jié)語

頂板走向鉆孔抽采效果關(guān)鍵取決于鉆孔參數(shù)及封孔工藝，而鉆

孔參數(shù)與工作面采高、煤層傾角、頂板巖性等多個(gè)因素有關(guān)，封孔 工藝與注漿長(zhǎng)度、質(zhì)量有關(guān)。1131（3）頂板走向鉆孔參數(shù)及封孔工 藝的優(yōu)化，增大了鉆孔抽采效果，實(shí)現(xiàn)了抽采最大化，同時(shí)“一孔 多用”，為防火保駕護(hù)航，可為類似工作面提供有益的參考。