順層低濃度鉆孔二次處理技術(shù)研究

李 鵬

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

1 現(xiàn)場概況

岳城煤礦為晉煤集團沁秀公司下屬高瓦斯礦井，目前主采3#煤層。礦井現(xiàn)有通風(fēng)方式為分區(qū)通風(fēng)式，總進風(fēng)量為20522m3/min，總回風(fēng)量為20716m3/min，礦井配風(fēng)量合理，能夠滿足安全生產(chǎn)需要。1309（上）工作面為該礦東翼第九個工作面，其中13091巷和13093巷進風(fēng)，13092巷和13094巷回風(fēng)，整個工作面區(qū)域配風(fēng)量2560m3/min，滿足安全生產(chǎn)需求。

1309（上）工作面的瓦斯治理采用千米區(qū)域遞進式鉆孔超前抽放，煤質(zhì)疏松且有軟分層分布的區(qū)域采用本煤層順層鉆孔抽放進行瓦斯治理。鉆孔布置為：每組間距為6m，單組18個鉆孔，雙組16個鉆孔，每組鉆孔分兩列布置，列間距3.0m，如圖1。

3#煤層賦存不均衡，部分區(qū)域存在煤質(zhì)疏松且有軟分層分布的情況，鉆孔封孔后經(jīng)常發(fā)生塌孔，導(dǎo)致濃度迅速衰減。同時由于塌孔原因，“兩堵一注”封孔工藝里側(cè)封堵不嚴，一旦注漿反而會堵塞鉆孔[1]。因此，需要對順層低濃度鉆孔進行診斷分析，找出順層孔塌孔、低濃度的原因，制定并完善低濃度順層孔下篩管護孔的二次處理工藝，并對護孔后的鉆孔進行后期維護，最大限度地提高順層孔瓦斯抽采效率。

圖1 1308工作面鉆孔布置圖

2 存在問題

（1）在13081巷順層鉆孔試驗下32mm篩管，經(jīng)過捅孔和揭露后發(fā)現(xiàn)篩管內(nèi)全部被煤粉堵死，說明32mm篩管管徑太小、煤粉太細易堵塞等無法滿足瓦斯抽采需求。

（2）在13082巷順槽試驗螺旋鉆桿機械排渣工藝，因為該螺旋鉆桿接口處易斷開造成掉鉆事故，同時打鉆效率太低，因此無法滿足順層鉆孔長期施工的需求。

（3）目前“兩堵一注”封孔工藝（封孔段為6～10m）容易引起塌孔，無法有效實現(xiàn)孔深處護孔、護管下進和封堵嚴密，一旦注漿極易堵塞鉆孔，造成鉆孔濃度迅速下降。

3 研究內(nèi)容

本研究主要對1個月內(nèi)抽采能力降至30%以下的低濃度鉆孔進行診斷分析，找出順層孔低濃度的原因；通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，制定并完善順層孔下篩管護孔工藝，并在1309（上）采面順槽巷道進行抽采鉆孔護孔及二次處理試驗，通過試驗數(shù)據(jù)研究抽采鉆孔護孔及二次處理試驗的效果。

4 研究方案

4.1 鉆孔護孔試驗

由于大多數(shù)順層孔僅在局部構(gòu)造破壞區(qū)段塌孔，因此，需要找出塌孔范圍，僅在塌孔區(qū)段進行護孔[2]。同時，由于鉆孔內(nèi)煤粉在負壓作用下進入護孔管，鉆孔內(nèi)護孔管抽采一段時間后，護孔管容易被煤粉堵死，大大降低了護孔效果。因此，需要對現(xiàn)有的護孔管護孔方式進行改進。

（1）優(yōu)化篩管孔眼參數(shù)。增加篩管孔眼數(shù)量，減少孔眼直徑，防止煤粉在負壓作用下進入篩管。

（2）分段護孔。對順層孔的應(yīng)力集中段和軟煤段等易塌孔區(qū)段采用高強度篩管進行護孔。

（3）增加篩管直徑。采用50mm管代替原有的32mm管，采用插接式連接，增加篩管的有效內(nèi)徑。

4.2 順層孔施工工藝

順層孔施工采用先注漿封孔后施工順層孔的工藝方法。注漿封孔結(jié)束后在孔口套管內(nèi)施工順層抽采鉆孔。“先注漿、后封孔”的封孔工藝具體操作步驟為：

（1）采用113鉆頭開孔、240mm鉆頭擴孔施工6m，并下6mPE管（6寸）。在封孔管底部用石膏封堵不少于200mm，孔口用石膏進行封堵不少于400mm。

（2）封孔管與孔壁之間上部安設(shè)兩根返漿管，下部安設(shè)兩根注漿管。開孔傾角為正時，注漿管在孔口3m處，返漿管下至孔口5m處；開孔傾角為負時，返漿管在孔口1m處，注漿管下至孔口3m處。注漿管和返漿管采用千米鉆孔專用注漿管。

（3）注漿時，將膨脹水泥和水按照0.8∶1（重量比）進行攪拌，并加入少量速凝劑，攪拌均勻后開始注漿[3]。當(dāng)返漿管開始返漿時，將返漿管扎住并繼續(xù)注漿，使注漿壓力達到0.4MPa后停止注漿，將注漿管扎緊?？變?nèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新工藝孔內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

將套管全部退出后，迅速拆除孔口四通裝置，將一趟2寸臨時負壓管接在孔口。同時卸下鉆頭，將擋泥板安裝在套管前端，將4m預(yù)留封孔管（1m短管+3m完整管，其中短管接在末端）下入鉆機上套管內(nèi)，并在尾部接好二寸負壓管，同時撤掉孔口二寸負壓管，迅速將預(yù)留管與孔內(nèi)封孔管對接。將水泥調(diào)成糊狀（水灰比1:1.5），塞在6寸PE管與封孔管之間，用鉆機將擋泥板緩慢送入PE管內(nèi)，并將塞好的水泥推至PE管底部，退出擋泥板繼續(xù)塞水泥至孔口，直至6寸PE管內(nèi)全部被水泥填實。最后拆除4m臨時PE管，將6寸擋板安裝在孔口6寸PE管上，并用2寸負壓管聯(lián)抽。

5 現(xiàn)場試驗

該項目于2018年3月～6月，在該礦13091巷道內(nèi)順層鉆孔塌孔較嚴重的400m區(qū)域范圍進行試驗。順層鉆孔布置距底板高度是1.5m，排距2m，單排距布置，對200個存在塌孔和低濃度問題的順層鉆孔進行護孔二次處理。同時在試驗區(qū)域附近順層鉆孔塌孔較嚴重的100m區(qū)域范圍按照相同布孔方式施工順層鉆孔，在抽采過程中不采用護孔二次處理措施，并對評價瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)整理，得曲線如圖3所示。其中棱形點為采用護孔二次處理后的濃度曲線，正方形點為不護孔濃度曲線。

由圖3可知，不采用護孔二次處理情況下，抽采初期瓦斯?jié)舛葍H為21.7%，最高抽采濃度為30.2%，有效抽采期的平均濃度為20%左右，并且在30d時間內(nèi)降為0，衰減速率明顯；而采用護孔二次處理的抽放鉆孔，初期瓦斯?jié)舛饶苓_到54.8%，最高抽采濃度為61.4%，有效抽采期的平均濃度為44.8%左右，同時衰減期長達66d，并最終保持在17.2%左右。說明護孔二次處理后有效降低了有效鉆孔的廢孔率，抽采能力平均提高了27.8%，單孔抽采能力最高提高了58.3%，整體抽采能力得到很大提升。

圖3 護孔二次處理效果對比圖

6 結(jié)論

綜上所述，對鉆孔進行護孔二次處理，一方面通過提高鉆孔孔口強度，實現(xiàn)抽采初期瓦斯?jié)舛鹊奶嵘?，?1.7%增加到54.8%，平均濃度由20%提高到44.8%；另一方面通過鉆孔強度提高，能夠延長鉆孔壽命，降低衰減速率，使鉆孔有效時間由30d增加到66d，有效降低了有效鉆孔的廢孔率，提高區(qū)域整體抽采水平。