松軟突出煤層瓦斯鉆孔施工防噴孔技術(shù)研究

鄭 杰

(山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500)

順層鉆孔治理煤層瓦斯突出具有施工工程量少、瓦斯治理周期短等優(yōu)勢(shì)，相比與穿層鉆孔利用率更高，但是也存在瓦斯鉆進(jìn)深度淺、成孔率底、成孔困難等問(wèn)題。主要是由于鉆孔鉆在突出松軟煤層中鉆進(jìn)時(shí)常規(guī)的鉆孔方式容易引起噴孔、塌孔等問(wèn)題，制約鉆孔鉆進(jìn)效率。鉆孔噴孔時(shí)瞬間涌出的瓦斯會(huì)造成施工區(qū)域內(nèi)瓦斯超限，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。

為了解決上述問(wèn)題，從松軟突出煤層噴孔、塌孔形成原因進(jìn)行分析，并從防噴孔、塌孔等方面進(jìn)行工藝改進(jìn)研究，對(duì)塌孔、噴孔等問(wèn)題進(jìn)行防治，從而在一定程度上提升鉆孔施工進(jìn)度。

1 鉆孔噴孔原因分析

鉆孔出現(xiàn)噴孔主要是由于鉆孔內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)失穩(wěn)，從而引起大量瓦斯、煤巖粉等從鉆孔內(nèi)噴出的現(xiàn)象。根據(jù)鉆孔噴孔動(dòng)力源不同，可以將噴孔細(xì)分為以下兩種類型：1)由于鉆孔孔底內(nèi)裂隙擴(kuò)展導(dǎo)致瓦斯氣體大量噴出；2)由于粉煤灰等堵篩鉆孔導(dǎo)致出現(xiàn)噴孔。具體瓦斯抽采鉆孔鉆進(jìn)施工過(guò)程中孔內(nèi)圍巖力學(xué)狀態(tài)見圖1所示。

圖1 鉆孔前煤體力學(xué)模型

具體見圖1，根據(jù)受力狀態(tài)不同分為卸壓區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)(峰前及峰后)以及原始應(yīng)力區(qū)等。

1)卸壓區(qū)

卸壓區(qū)對(duì)應(yīng)X區(qū)域，該范圍內(nèi)煤巖體受到鉆頭鉆進(jìn)影響，煤巖體呈現(xiàn)出顯著的塑形特征，鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)會(huì)使得煤巖體破碎，由于煤巖體內(nèi)具有一定的瓦斯壓力，從而使得瓦斯通過(guò)裂隙向自動(dòng)空間大量涌出。由于該區(qū)域煤巖體表現(xiàn)出明顯的塑性特性，裂隙發(fā)育瓦斯溢散速度快，因此鉆頭在此范圍內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)噴孔的可能性較低。但是由于該區(qū)域是塑性區(qū)，容易出現(xiàn)破斷脫落現(xiàn)象，當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)水壓較低時(shí)，脫落的煤粉在鉆桿與孔壁間的狹小空間內(nèi)容易出現(xiàn)堵塞，因此該區(qū)域?yàn)殂@孔塌孔高發(fā)區(qū)。當(dāng)鉆孔塌孔后孔內(nèi)積聚的瓦斯含量、壓力不斷增加，在瓦斯作用下堵塞被沖出隨即出現(xiàn)噴孔。

2)峰值后應(yīng)力增加區(qū)

該區(qū)域?qū)?yīng)圖1中Y1區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)力作用顯著，裂隙彼此間聯(lián)通，同時(shí)煤體內(nèi)孔隙度較大，部分瓦斯從Y1區(qū)域沿著裂隙向X區(qū)域涌出，在臨界點(diǎn)位置，由于受到瓦斯壓力梯度以及外部受力環(huán)境改變影響，從而造成該區(qū)域內(nèi)有大量瓦斯短時(shí)間內(nèi)涌出，隨即出現(xiàn)噴孔。該噴孔主要原因是由于鉆孔孔底裂隙擴(kuò)展導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯大量噴出。

3)峰前應(yīng)力增加區(qū)

該區(qū)域?qū)?yīng)圖1中Y2區(qū)域，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中程度較Y1區(qū)有所增加，但應(yīng)力值均在應(yīng)力峰值以內(nèi)，煤體未遭到明顯破壞，內(nèi)部發(fā)育的孔隙較小，可以蘊(yùn)含較多的彈性變形能力，在此位置煤體不易出現(xiàn)噴孔。

4)原巖應(yīng)力區(qū)

該區(qū)域?qū)?yīng)圖1中Z區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)煤巖體為受到鉆孔鉆進(jìn)影響，煤巖體為原始應(yīng)力狀態(tài)。

2 鉆孔鉆進(jìn)工藝改進(jìn)

為了避免鉆孔出現(xiàn)塌孔、噴孔，可以從采用防塌孔鉆進(jìn)工藝以及防噴孔工藝兩個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)研究。

2.1 防塌孔工藝

從上述分析得知，鉆孔塌孔主要發(fā)生在鉆孔鉆進(jìn)前方的卸壓區(qū)(X區(qū))，為了將鉆孔內(nèi)的煤灰等順利從鉆孔內(nèi)排出，最常用的技術(shù)措施是增加排風(fēng)壓力及排水壓力，但是風(fēng)壓、水壓過(guò)大則進(jìn)一步導(dǎo)致鉆孔前方X區(qū)域以及Y1區(qū)域破碎程度增加，若煤灰無(wú)法及時(shí)排出，勢(shì)必會(huì)增加噴孔強(qiáng)度，同時(shí)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)采用的圓鉆桿由于鉆桿外壁對(duì)煤粉僅能產(chǎn)生極小的作用力，從而使得鉆孔排渣困難，而三棱鉆桿由于結(jié)構(gòu)特殊，在松軟煤層鉆進(jìn)時(shí)表現(xiàn)出顯著的排渣效果，具體礦井常用的圓形鉆桿及三棱形鉆桿結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 鉆桿結(jié)構(gòu)

采用三棱鉆桿時(shí)，在鉆機(jī)動(dòng)力作用下鉆桿外壁會(huì)給破碎的煤粉持續(xù)的機(jī)械擾動(dòng)，從而使得鉆孔孔壁與鉆桿外壁間聚集的煤粉持續(xù)地受到擾動(dòng)，始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從而在較小的水壓、風(fēng)壓作用下即可排渣，在一定程度上緩解鉆孔塌孔問(wèn)題。

2.2 防噴孔工藝

由于鉆孔鉆進(jìn)的煤層性質(zhì)固定，在鉆孔鉆機(jī)時(shí)無(wú)法降低鉆頭前方Y(jié)1區(qū)域內(nèi)的瓦斯涌出量，但是可以在一定程度上緩解瓦斯涌出速度。常規(guī)的措施是通過(guò)降低鉆桿的鉆進(jìn)或者后退速度，來(lái)緩解鉆孔噴孔強(qiáng)度，但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果并不顯著?，F(xiàn)階段主要防噴孔措施是將鉆孔噴出的瓦斯引入到其他位置，從而降低通過(guò)鉆孔流入至鉆場(chǎng)內(nèi)的瓦斯量。具體鉆孔內(nèi)瓦斯向鉆場(chǎng)涌出途徑有兩個(gè)，分別為：1)瓦斯從鉆孔孔壁向鉆場(chǎng)內(nèi)快速涌出，形成噴孔；2)瓦斯從鉆頭位置經(jīng)過(guò)鉆桿向鉆場(chǎng)內(nèi)涌出，在正?；爻枫@桿時(shí)瓦斯從鉆桿內(nèi)噴出形成噴孔。因此，對(duì)于鉆孔噴孔要從防鉆孔孔口噴孔以及鉆桿噴孔兩個(gè)方面著手。

具體采用的防噴鉆桿工作原理是在鉆進(jìn)的鉆桿內(nèi)裝入單向閥，正常鉆進(jìn)時(shí)高壓水可以通過(guò)單向閥流出，鉆孔內(nèi)的瓦斯雖然可以通過(guò)鉆頭縫隙向鉆孔內(nèi)涌入，但是由于單向閥作用阻止瓦斯、煤粉等通過(guò)單向閥向鉆場(chǎng)內(nèi)噴出，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿防噴，具體具有防噴功能的鉆桿結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 防噴鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)采用三棱型防噴鉆桿可以有效阻止瓦斯從鉆桿內(nèi)噴出，從而起到一定的防瓦斯超限、防噴孔效果。

孔口防噴最為有效的技術(shù)措施是在抽采鉆孔孔口設(shè)置防噴裝置，具體結(jié)構(gòu)包括有鉆孔封孔裝置、負(fù)壓放水箱以及氣水分離裝置等，具體設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 孔口防噴裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)從鉆孔內(nèi)返出的鉆井液、瓦斯以及煤屑等混合物經(jīng)過(guò)防噴裝置后一部分氣體通過(guò)五通上的100mm孔徑軟管進(jìn)入到瓦斯抽采管路中；一部分氣體通過(guò)四通上的100mm孔徑軟管進(jìn)入瓦斯收集箱內(nèi)；返水?dāng)y帶的煤渣、瓦斯等進(jìn)入到氣水分離器，分離后的氣體通過(guò)上部軟管進(jìn)入到負(fù)壓放水箱內(nèi)，大粒徑煤屑等經(jīng)過(guò)過(guò)濾后沉淀在裝置底部，粒徑較小的煤屑則隨著水流排放至泥漿池內(nèi)沉淀。采用的防噴裝置布置的四通右端存在有拐點(diǎn)，流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力增加，同時(shí)當(dāng)下游的排放軟管出現(xiàn)堵塞時(shí)，攜帶煤屑的鉆井液會(huì)流入至該管道，因此，與四通相連接的這兩條管道必須先經(jīng)過(guò)收集箱將煤屑分離后方可接入到瓦斯抽采管理中。采用防噴孔裝置可以有效避免鉆孔噴出的瓦斯、煤屑等涌出到鉆場(chǎng)內(nèi)，從而避免鉆場(chǎng)附近瓦斯超限。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

山西某礦開采9煤平均厚2.68m，煤層瓦斯含量9.89～13.26m3/t，瓦斯壓力0.98MPa，硬度0.5，孔隙率2.01%，該煤層屬于松軟突出煤層。在回采工作面施工順層瓦斯抽采鉆孔時(shí)鉆孔噴孔、塌孔顯現(xiàn)嚴(yán)重，鉆孔鉆進(jìn)效率低下。

鉆孔鉆進(jìn)超過(guò)15m后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔顯現(xiàn)，鉆進(jìn)超過(guò)20m后鉆孔噴孔嚴(yán)重，瓦斯抽采鉆孔難以滿足鉆進(jìn)100m需要，同時(shí)有噴孔多次造成作業(yè)地點(diǎn)瓦斯超限。采用防噴鉆桿以及孔口防噴裝置后9號(hào)煤層瓦斯抽采鉆孔施工效率得以明顯改善，鉆孔返水、返渣等正常，鉆孔可鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，同時(shí)后續(xù)鉆場(chǎng)內(nèi)未出現(xiàn)瓦斯超限問(wèn)題，同時(shí)也明顯提升鉆孔鉆進(jìn)速度。

4 總結(jié)

1)采用三棱防堵孔鉆桿可以持續(xù)對(duì)鉆矸及孔壁間的煤粉擾動(dòng)，從而提升鉆孔排渣效率，降低由于堵孔出現(xiàn)的噴孔問(wèn)題發(fā)生。采用防噴鉆桿結(jié)合孔口防噴裝置，可以避免鉆孔內(nèi)瓦斯向鉆場(chǎng)內(nèi)大范圍涌出，避免鉆場(chǎng)出現(xiàn)瓦斯超限，提高作業(yè)效率。

2)將三棱鉆桿、孔口防噴裝置以及防噴鉆桿聯(lián)合使用，可以在一定程度上降低抽采鉆孔塌孔、噴孔程度，從而解決松軟突出煤層鉆孔鉆進(jìn)困難問(wèn)題，對(duì)提升瓦斯治理效果具有顯著的促進(jìn)作用。