煤礦瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)淺述

李立剛

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司

【摘 要】瓦斯煤塵爆炸是我國(guó)煤礦的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅并制約著煤礦的生產(chǎn)，因此，瓦斯治理對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)顯得尤為重要。山西陽(yáng)泉地區(qū)某煤礦屬高瓦斯礦井，煤層透氣性較差，常規(guī)的瓦斯治理措施已經(jīng)不能滿足該煤礦安全生產(chǎn)的需要，因此，需要采取不同的抽采鉆孔布置措施進(jìn)行瓦斯治理，以提高其瓦斯抽采率，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】鉆孔設(shè)計(jì)；瓦斯抽采；回采工作面；本煤層；鄰近層

低瓦斯礦井處于正常通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，井下瓦斯?jié)舛韧ǔ２粫?huì)達(dá)到爆炸下限，但受多種因素影響，部分煤層瓦斯含量較低的礦井，仍然多次發(fā)生瓦斯超限，甚至發(fā)生瓦斯爆炸事故。因此，加強(qiáng)采鉆孔施工技術(shù)是非常重要的。

一、基本地質(zhì)條件

該煤礦地層由老到新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1S）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、第四系上更新統(tǒng)（Q2+3）。地層總厚度約為460m，煤系地層厚度約為170m。9號(hào)煤層最小埋藏深度60m，最大埋藏深度255m；15號(hào)煤層最小埋藏深度130m，最大埋藏深度327m。井田內(nèi)9號(hào)、15號(hào)煤層是主采煤層。本井田總體為向斜構(gòu)造，S1向斜軸位于井田西部，走向近南北向，兩翼傾角不大，傾角一般為5°～8°，在井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度約600m。S2向斜軸位于井田中部偏東，走向北東向，兩翼傾角不大，傾角一般為5°～10°，在井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度約1700m。另外，該礦井下巷道還發(fā)現(xiàn)3條斷層和4個(gè)陷落柱。

二、回采工作面抽采鉆孔設(shè)計(jì)

該礦9號(hào)煤層瓦斯涌出量最高的采區(qū)（已經(jīng)開采）回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為13.7m3/min，其中，工作面本煤層瓦斯5.77m3/min；鄰近層瓦斯7.93m3/min.結(jié)合全國(guó)高瓦斯礦井的抽采經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)本礦井在實(shí)施瓦斯抽采時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合瓦斯抽采。

（一）回采工作面本煤層瓦斯抽采

根據(jù)預(yù)測(cè)，該礦開采9號(hào)煤層時(shí)，回采工作面本煤層瓦斯涌出量較大，需要進(jìn)行本煤層抽采。本煤層抽采分為開采層未卸壓抽采和卸壓抽采2種方法。設(shè)計(jì)對(duì)回采工作面本煤層采用未卸壓抽采（預(yù)抽）方法。回采工作面布置順層平行鉆孔方式進(jìn)行9號(hào)煤層預(yù)抽采，孔間距3m。其主要優(yōu)點(diǎn)為：可保證該煤層瓦斯預(yù)抽的均衡性，能實(shí)行邊采邊抽，提高9號(hào)煤層瓦斯抽采率。其鉆孔布置方式如下圖1所示：

主要參數(shù)：1）鉆孔位置：回風(fēng)順槽內(nèi)，距離巷道底板1.2m；2）鉆孔角度：垂直于巷道中線，與工作面平行，水平角上仰約2°～3°（實(shí)際生產(chǎn)中需根據(jù)煤層賦存情況再作調(diào)整）；3）開孔直徑：94mm；4）終孔直徑：94mm；5）鉆孔長(zhǎng)度：105m（可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）；6）鉆孔間距：根據(jù)實(shí)際抽采經(jīng)驗(yàn)及該礦實(shí)際情況，結(jié)合回采工作面采長(zhǎng)、工作面走向長(zhǎng)度、工作面產(chǎn)量、鉆孔施工條件等因素綜合考慮，確定該礦9號(hào)煤回采工作面預(yù)抽鉆孔間距為3m；7）封孔方式：聚氨酯封孔；8）封孔深度：不小于8m；9）封孔長(zhǎng)度：不小于1m。

（二）回采工作面鄰近層瓦斯抽采

9號(hào)煤層的上鄰近層瓦斯主要是1、2、3、4、5、8號(hào)煤層，9號(hào)煤層平均厚度大約為2.4m，按照6倍～8倍的采高計(jì)算，9號(hào)煤裂隙帶高度大約在14.4m以上，根據(jù)9號(hào)煤層上鄰近煤層的層間距可知，除8號(hào)煤層位于冒落帶外，其余煤層均位于裂隙帶中。9號(hào)煤回采工作面，在工作面外側(cè)尾巷向工作面一側(cè)的上鄰近煤層布置傾斜穿層鉆孔，對(duì)上鄰近煤層瓦斯卸壓抽采。該傾斜穿層鉆孔最后的終孔位置選擇在3號(hào)煤層，并且需超出3號(hào)煤層1m。主要參數(shù)：1）鉆孔間距：9號(hào)煤回采工作面從開切眼往外20m的位置布置1對(duì)鉆孔（1個(gè)高位鉆孔、1個(gè)低位鉆孔），從第1對(duì)鉆孔往外每隔30m布置1個(gè)高位鉆孔；2）開孔直徑：133mm，經(jīng)193mm，一次擴(kuò)孔；3）終孔直徑：193mm；4）鉆孔角度：上仰35°～50°（根據(jù)實(shí)際情況確定）；高位鉆孔取40°、低位鉆孔取30°；5）鉆孔夾角：垂直二次復(fù)用的尾巷中線；6）鉆孔位置：布置在工作面二次復(fù)用的尾巷中，鉆孔打至3號(hào)煤后且超出3號(hào)煤不小于1m；7）鉆孔長(zhǎng)度：高位鉆孔長(zhǎng)度78m、低位鉆孔長(zhǎng)度70m可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）；8）封孔方式：聚氨酯封孔；9）封孔深度：不小于5m；10）封孔長(zhǎng)度：不小于1m。

（三）抽采管路管理

隨著工作面的推進(jìn)，第一組鉆孔將逐漸 進(jìn)入卸壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)卸壓瓦斯抽采。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，第一組抽采鉆孔將逐步報(bào)廢，需要將靠近切眼最里段管路逐段拆卸，將端頭用法蘭片密封。工作面開采推進(jìn)過(guò)程中，需要至少提前拆除面前20m內(nèi)管路，給瓦斯管路管理和工作面生產(chǎn)造成一定影響。為最大程度降低上述工作對(duì)正常生產(chǎn)影響，距工作面切眼30m以內(nèi)鉆孔用軟膠管與抽采管末端相連，抽采管末端特制一段2～3m長(zhǎng)的短管，短管設(shè)置3～5個(gè)變徑三通，與靠近工作面的鉆孔用軟管相連，鉆孔報(bào)廢后向前移動(dòng)短管，保持短管始終在抽采管路的末端。

三、鉆孔機(jī)具選擇

（一）鉆機(jī)

考慮到本礦井的煤、巖硬度以及鉆孔長(zhǎng)度、鉆孔施工等，對(duì)本煤層和鄰近層抽采鉆機(jī)分別設(shè)置：1）鄰近層鉆孔施工鉆機(jī)采用國(guó)產(chǎn)的ZDY6500LP型大口徑全液壓鉆機(jī)。該鉆機(jī)扭矩大、多自由度調(diào)角機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大角度施工，全液壓傳動(dòng)能。2）本煤層鉆孔施工鉆機(jī)采用國(guó)產(chǎn)的ZDY4000L型全液壓鉆機(jī)。

（二）鉆桿

可采用φ73mm/89mm直徑鉆桿。鉆桿是將鉆機(jī)的動(dòng)力傳遞給鉆頭，并且將鉆井液引入到孔底，鉆桿在鉆孔中受到扭矩、壓力等的綜合作用，鉆桿材料要求使用抗裂強(qiáng)度不小于55kg/mm2～65kg/mm2，延展率大于12%的無(wú)縫鋼管制成。

（三）鉆頭

按照煤巖層的性質(zhì)和是否需要取芯的不同，選用不同的鉆頭。本煤層瓦斯抽采鉆孔用φ94三翼內(nèi)凹PDC鉆頭開孔，其孔形光滑、平整便于封孔。鄰近層瓦斯抽采鉆孔采用φ133mm弧角鉆頭開孔鉆至設(shè)計(jì)深度，后使用φ133/193mm導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)深度。

（四）泥漿泵

泥漿泵用于鉆進(jìn)時(shí)向鉆孔內(nèi)提供沖洗液，這里選用BW250臥式三缸活塞往復(fù)式單作用泥漿泵，該泥漿泵排量可根據(jù)孔深需要調(diào)節(jié)四種擋速。

四、結(jié)論

根據(jù)本礦瓦斯涌出的特點(diǎn)，結(jié)合同類礦井的抽采經(jīng)驗(yàn)，本礦應(yīng)進(jìn)行綜合瓦斯抽采，對(duì)該礦的9號(hào)煤層回采工作面使用單側(cè)順層平行鉆孔進(jìn)行該煤層抽采，對(duì)鄰近煤層采用傾斜穿層鉆孔進(jìn)行卸壓抽采，施工后達(dá)到了預(yù)期的抽采效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)來(lái)，劉見(jiàn)中.瓦斯災(zāi)害治理新技術(shù)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，14（7）：101-104.

[2]袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術(shù)[J].中國(guó)煤炭，2010，36（6）：5-12.

[3]王兆豐，武煒.煤礦瓦斯抽采鉆孔主要封孔方式剖析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（6）：31-34，103.

[4]石智軍，姚寧平，葉根飛.煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（7）：1-4.

[5]荊鴻飛.西山煤田區(qū)域瓦斯抽采深孔定向鉆進(jìn)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（11）：90-94