一種瓦斯抽放鉆孔套管及封孔新工藝設(shè)計

李庭斌

(神東煤炭集團(tuán)布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

隨著煤礦開采程度的不斷加大，瓦斯越來越成為制約礦井安全生產(chǎn)的瓶頸，特別是工作面的瓦斯治理不到位，易造成工作面瓦斯異常超限，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。通風(fēng)技術(shù)是預(yù)防高瓦斯問題的主要措施，在煤礦開采過程中起到保證煤礦安全性和穩(wěn)定性的作用。低瓦斯礦井一般采用通風(fēng)方式解決工作面瓦斯問題，增加巷道配風(fēng)量，稀釋瓦斯?jié)舛?，將瓦斯?jié)舛冉档偷桨踩试S濃度以下，防治瓦斯超限和瓦斯事故的發(fā)生，但風(fēng)量過大會造成采空區(qū)漏風(fēng)量大，造成回風(fēng)隅角涌出瓦斯量進(jìn)一步增大[4-7]。為解決回風(fēng)隅角瓦斯積聚的問題，多數(shù)礦井采用易于控制的聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區(qū)的方法進(jìn)行瓦斯抽采?？紤]到礦井配風(fēng)的整體需要及礦井防塵適宜風(fēng)速、漏風(fēng)率等因素的影響，礦井巷道及工作面的配風(fēng)量不能過大，即使是低瓦斯礦井，僅采取通風(fēng)一種措施也不能完全達(dá)到控制瓦斯的目的。為此，對瓦斯抽放鉆孔的套管及配套的封孔工藝進(jìn)行了研究，提出了一種安全、經(jīng)濟(jì)的瓦斯抽放鉆孔套管及封孔工藝。

1 研究背景

1.1 工程概況

礦井概況：布爾臺煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，井田面積192.63 km2，地質(zhì)儲量33.03億t，可采儲量20.13億t，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力20 Mt/a，服務(wù)年限71.8 a。礦井可采煤層10層，現(xiàn)主采煤層為22煤與42煤，22煤平均厚度3.05 m，平均埋深300 m；42煤平均厚度5.9 m，平均埋深377 m?，F(xiàn)開采的22、42煤層自燃傾向性屬于I類易自燃，煤塵均有爆炸性。礦井采用斜井、平硐、立井綜合開拓方式，分區(qū)抽出式通風(fēng)。

工作面概況：本項目的井下現(xiàn)場試驗在42106綜放工作面進(jìn)行。42106綜放面布置在42煤一盤區(qū)，工作面按煤層傾斜方向布置，沿煤層走向方向回采，工作面傾向長度309 m，走向長度5 073.8 m。煤層為31煤與42煤復(fù)合區(qū)。在距離42106工作面回撤通道661 m范圍內(nèi)工作面回采31煤，661 m至切眼的范圍回采42煤。地面標(biāo)高1 251.8～1 386.7 m，煤層底板標(biāo)高912.7～988.6 m。煤厚3.46～7.05 m，平均6.1 m。回采段分叉區(qū)煤厚3.46～3.78 m，平均煤厚3.6 m，回采段復(fù)合區(qū)煤厚6.15～7.05 m，平均6.6 m，分叉復(fù)合區(qū)存在0～1.2 m的夾矸，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖，煤層分叉復(fù)合區(qū)傾角變化很大，煤層傾角3°～9°。

1.2 瓦斯抽放情況

通風(fēng)及抽放形式：布爾臺煤礦絕對瓦斯涌出量27.95 m3/min，相對瓦斯涌出量0.71 m3/t，綜采面最大絕對瓦斯涌出量4.74 m3/min，掘進(jìn)面最大絕對瓦斯涌出量1.65 m3/min，屬低瓦斯礦井，綜采工作面原采用“U”型通風(fēng)，配套抽放方式為上隅角埋管抽放。為提高采空區(qū)抽放效果和瓦斯抽放主管路的回收利用率，礦井改變綜采工作面的通風(fēng)方式，采用偏“Y型”通風(fēng)，配套抽放方式為采空區(qū)插管抽放。42106工作面泵站采用2臺ZWY300/355水環(huán)真空泵，額定流量300 m3/min。抽放主管路采用DN500焊管，布置在42107回風(fēng)順槽，抽放支管通過采空區(qū)聯(lián)巷密閉插入42106綜放工作面采空區(qū)進(jìn)行抽放，隨著綜采面推采，逐個開啟和關(guān)閉抽放支管完成綜采工作面采空區(qū)的瓦斯抽放，防止綜采工作面回風(fēng)隅角等地點的瓦斯超限。

存在的問題及解決思路：礦井兩順槽之間聯(lián)巷距離20～200 m不等，導(dǎo)致抽放支管之間距離不均勻，且多施工聯(lián)巷成本高且管理困難。因此，為保證抽放半徑均勻，在距離超過60 m的聯(lián)巷中間需要施工鉆孔，鉆孔直徑為500 mm，長度為20～25 m。為防止塌孔或者漏渣造成鉆孔堵塞，影響抽放效果，需要在全孔安設(shè)與孔徑匹配的管路并封孔。因井下順槽寬度在6 m左右，管路安裝只能采取多根短管逐節(jié)相連的方式，但套管直徑大，短管連接處不嚴(yán)密，易造成局部塌孔封堵鉆孔或者封孔材料堵塞鉆孔，影響抽放效果，因此需要一種安全、經(jīng)濟(jì)的套管方式及配套的封孔工藝完成瓦斯抽放鉆孔的連接和封孔，保證抽放效果。

2 工藝設(shè)計

2.1 主要要求

套管對接方式的要求：①作業(yè)過程中安全系數(shù)高；②保證各段套管對接嚴(yán)密；③可操作性高，不影響套管作業(yè)效率；④不影響封孔質(zhì)量。

封孔工藝的要求：①可與改進(jìn)后的對接方式相匹配，具有可操作性；②可實現(xiàn)鉆孔全長封孔，保證氣密性；③封孔材料滿足無毒、阻燃、反應(yīng)溫度不高于70 ℃，材料性價比高，適合大量使用、推廣。

2.2 方案設(shè)計

根據(jù)套管及封孔工藝的主要要求，通過咨詢公司相關(guān)部門、收集資料、參考其他礦井經(jīng)驗，形成以下設(shè)計方案。

套管工藝設(shè)計：①內(nèi)套袖連接。在一段套管上焊接短節(jié)，該短節(jié)外徑略小于套管內(nèi)徑，對接時將短節(jié)插入上段套管內(nèi)，完成對接，連接效果如圖1所示；②螺栓連接。在套管一端焊接若干螺母，與下段套管利用螺栓連接、固定，連接效果如圖2所示；③螺紋連接。在一段套管上焊接短節(jié)，該短節(jié)外徑等于套管內(nèi)徑，在短節(jié)外側(cè)加工外螺紋，另外在上段套管內(nèi)側(cè)加工內(nèi)螺紋，兩段套管通過螺紋連接、固定，連接效果如圖3所示。

圖1 內(nèi)套袖連接效果圖

圖2 螺栓連接效果圖

圖3 螺紋連接效果圖

封孔材料：因鉆孔在兩順槽在之間的煤壁間施工，受采動影響等，礦壓顯現(xiàn)明顯，鉆孔周圍煤體破損，易造成采空區(qū)氣體泄漏，故需要對鉆孔進(jìn)行全孔封孔[8-10]?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，可供選擇且滿足要求的充填材料包括：黃土、水泥、無機填充材料。①黃土無毒、阻燃，與水混合時不產(chǎn)生熱量成本最低，但黃土封孔韌性、強度差，在受采動等外力影響時封孔效果易受到破壞，影響氣密性。另外黃土漿凝固時間較長，且單獨利用黃土漿進(jìn)行封孔，無法長期在封孔空間駐留；②水泥無毒、阻燃，與水混合時會產(chǎn)生少量熱量，成本較低，凝固后韌性、強度大，能夠保證封孔氣密性。但水泥凝固時間較長，單獨利用水泥漿進(jìn)行封孔，無法長期在封孔空間駐留；③無機充填材料無毒、阻燃，與水混合時會產(chǎn)生少量熱量，凝固后韌性、強度大，能夠保證封孔氣密性且凝固需時最短。但無機填充材料成本較黃土、水泥高。

封孔工藝設(shè)計：根據(jù)以上封孔材料特性及要求，封孔工藝設(shè)計為“兩堵一注”，即孔口兩端口利用強度高、凝結(jié)快的材料封孔，鉆孔中段利用凝結(jié)較慢但成本較低的材料充填。

3 工藝試驗及應(yīng)用

3.1 地面試驗

套管工藝試驗：首先，根據(jù)設(shè)計階段篩選出3種套管工藝設(shè)計方案，礦機修車間按1∶1的比例各加工一套實體管路在機修車間場地進(jìn)行地面對接試驗，地面試驗結(jié)果對照見表1；其次，由以上試驗可知，內(nèi)套袖連接工藝不需井下電氣焊，各段套管間對接較嚴(yán)密，在內(nèi)外套袖間襯入棉紗后，能夠保證氣密性。且相對其他方案加工精度要求較低，對接過程中操作容易，不影響套管效率。螺栓連接工藝也不需井下電氣焊，加工作業(yè)量最少但精度要求較高，一旦焊接誤差大或受外力變形則無法順利完成套管作業(yè)，各段套管間縫隙較大且無有效補救方法。對接時成功與否取決于螺栓與螺母能否快速對準(zhǔn)，經(jīng)試驗效率較低。螺紋連接工藝也不需井下電氣焊，套管間密閉性最好。但加工作業(yè)量最大、精度要求最高，一旦加工誤差大或受外力變形則無法順利完成套管作業(yè)。對接期間需旋轉(zhuǎn)管路緊固絲扣，完成對接，操作難度高，工作量大，經(jīng)現(xiàn)場試驗效率較低；最后，綜合考慮套管工藝地面試驗中3種方案的優(yōu)缺點，最終確定采用內(nèi)套袖套管工藝進(jìn)入井下試驗階段。

表1 套管工藝地面試驗結(jié)果對照表

封孔工藝試驗：對比充填材料的膨脹系數(shù)、材料強度、阻燃性以及反應(yīng)期間最高溫度，選擇合適的充填材料，完成封孔工藝設(shè)計，試驗結(jié)果見表2。根據(jù)以上封孔材料特性及要求，結(jié)合封孔工藝設(shè)計，確定井下試驗方案為：“兩堵一注”，即兩端孔口利用強度高、凝結(jié)快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用凝結(jié)較慢但成本較低的水泥封孔。

3.2 井下試驗

鉆孔試驗：井下試驗地點選擇在42106綜放工作面，42106綜放工作面瓦斯抽放鉆孔在42106運輸順槽、42107回風(fēng)順槽間保護(hù)煤柱中施工，根據(jù)兩側(cè)順槽高差不同，鉆孔角度-3.4°～13.2°，孔徑為500 mm，共施工55個瓦斯抽放鉆孔，鉆孔施工完畢后需利用DN350螺旋焊管進(jìn)行套管并進(jìn)行封孔作業(yè)。鉆孔施工剖面圖如圖4所示。本次試驗選擇42106綜放工作面9#、10#兩個鉆孔進(jìn)行鉆孔套管及封孔試驗，鉆孔相關(guān)參數(shù)見表3。

表2 封孔材料地面試驗結(jié)果對照表

圖4 瓦斯抽放鉆孔剖面示意圖

表3 42106瓦斯抽放鉆孔參數(shù)表(9#、10#)

套管工藝試驗：試驗利用內(nèi)套袖套管工藝對上述兩個鉆孔進(jìn)行套管，套管管材選用DN350螺旋焊管，由機修車間提前將備用管材加工為5 m一根的短管，每個鉆孔需5根短管。在5根短管中的4根短管一端焊接內(nèi)嵌接頭，并在其中1根短管另一端焊接DN350法蘭。套管管材加工示意圖如圖5所示。套管管材準(zhǔn)備完畢后，對已施工完畢的鉆孔進(jìn)行套管試驗，并對套管作業(yè)過程進(jìn)行了詳細(xì)的跟蹤記錄。采用內(nèi)套袖套管工藝時，全部完成套管作業(yè)平均耗時350 min，其中純作業(yè)時間為264 min，略少于原有套管工藝。作業(yè)期間套管工藝未出現(xiàn)明顯缺陷，各環(huán)節(jié)也無嚴(yán)重安全隱患.井下試驗結(jié)果表明，內(nèi)套袖套管工藝安全、可靠、高效。

圖5 套管管材加工示意圖

封孔工藝試驗：試驗地點仍為42106綜放工作面9#、10#鉆孔。試驗主要分為2個步驟，即：兩側(cè)孔口封堵、兩側(cè)孔口間空隙充填，并詳細(xì)跟蹤和記錄。通過試驗記錄數(shù)據(jù)可知，平均每個鉆孔封孔耗時296 min，鑒于每個鉆孔需多次注漿方能完成全孔封孔，因此當(dāng)多個鉆孔需進(jìn)行封孔時，通過科學(xué)安排工序，單個鉆孔封孔耗時還會進(jìn)一步降低。封孔作業(yè)期間，孔口兩側(cè)用無機材料封堵位置、套管管壁內(nèi)側(cè)未出現(xiàn)明顯漏漿現(xiàn)象，表明改進(jìn)后的封孔工藝與內(nèi)套袖套管工藝能夠有效匹配[11-12]，但完成套管及封孔的鉆孔氣密性還需進(jìn)一步驗證。

鉆孔氣密性驗證：為了驗證采用新工藝套管、封孔的9#、10#鉆孔氣密性，10#鉆孔進(jìn)入采空區(qū)后開始每日對9#、10#鉆孔外瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，10 d后改為每周監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表4。觀測數(shù)據(jù)說明，9#、10#鉆孔在進(jìn)入采空區(qū)后，氣密性良好，無明顯漏氣、漏水現(xiàn)象，即兩端孔口利用強度高、凝結(jié)快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用水泥封孔工藝的氣密性符合要求。

3.3 應(yīng)用情況

應(yīng)用范圍：布爾臺煤礦在42106采煤工作面應(yīng)用，之后每個采煤工作面全面推廣，平均每年有3個采煤工作面需提前施工瓦斯抽放鉆孔并套管、封孔，平均每個工作面需施工50個鉆孔，即每年共有150個鉆孔應(yīng)用此套管、封孔工藝，現(xiàn)累計應(yīng)用鉆孔數(shù)已超過400個。

經(jīng)濟(jì)效益：瓦斯鉆孔套管涉及的費用主要有人工成本、車輛成本、材料消耗等費用。經(jīng)計算使用此工藝前單孔成本5.44萬元，使用此工藝后單孔成本2.27萬元，單孔節(jié)約費用3.17萬元，每年節(jié)約費用475.5萬元。

安全效益：①改進(jìn)后的套管工藝保證了套管質(zhì)量、封孔質(zhì)量，降低了施工風(fēng)險，提高了施工作業(yè)的安全性；②改進(jìn)后的套管工藝基本原理是對套管端口處進(jìn)行加工以實現(xiàn)順利對接，該項作業(yè)可在套管入井前在地面完成，簡化了井下作業(yè)環(huán)節(jié)，減少安全隱患；③改進(jìn)后的封孔工藝，以無機充填材料替代高分子材料，消除了封孔過程中出現(xiàn)高溫的隱患。

表4 鉆孔氣密性監(jiān)測表

4 結(jié)語

通過工藝設(shè)計、地面試驗、井下試驗等幾個階段的研究與驗證，提出了一種安全、可靠、高效的內(nèi)套袖套管工藝及配套的封孔工藝。套管工藝采用內(nèi)套袖套管工藝，封孔工藝采用“兩堵一注”的全孔封孔工藝，并確定了兩端孔口利用強度高、凝結(jié)快的無機充填材料封孔，鉆孔中段利用凝結(jié)較慢但成本較低的水泥封孔。此外，套管過程中以人力為主要動力來源，對作業(yè)效率存在負(fù)面影響，尋找一種既安全又高效的套管施工動力源是下一步需要探究的課題。