東曲礦順層鉆孔干式鉆進工藝及瓦斯抽采技術(shù)研究

趙建國

摘 要：針對東曲礦煤層透氣性差、采用濕式鉆進工藝鉆孔易塌孔、成孔率低、瓦斯抽采效果差的問題，通過在28802工作面采用干式鉆進工藝施工本煤層鉆孔并對瓦斯抽采數(shù)據(jù)連續(xù)觀測表明，干式鉆進施工的鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采量大大提高，較好的解決了低透氣性煤層瓦斯抽采效果差的問題。

關(guān)鍵詞：煤層透氣性;瓦斯抽采;干式鉆進工藝

0 引言

我國高瓦斯低透氣性煤層分布廣、瓦斯抽采難，低透氣性煤層高效抽采是眾多煤礦企業(yè)普遍存在的技術(shù)難題，也是制約安全生產(chǎn)水平，提高及落實“先抽后采”瓦斯治理方針的“瓶徑”。隨著煤礦開采深度的增加，地應力增高，煤層及圍巖的透氣性變差，瓦斯含量增加，相對瓦斯涌出量增高，瓦斯的危險性增加，利用鉆孔抽采瓦斯是治理瓦斯的最常用方法之一，目前國內(nèi)外煤礦井下鉆孔的施工工藝主要有濕式和干式，由于干式鉆進施工時粉塵較大，作業(yè)環(huán)境較惡劣，井下鉆孔施工時多采用濕式鉆進。但是在濕式鉆進施工下向鉆孔時，鉆孔易塌孔、積水積渣不易排出。通過在東曲礦順層鉆孔中進行抽采瓦斯的實踐證實：采用干式鉆進施工鉆孔，通過配套的除塵器可以有效降低打鉆過程中的粉塵量，同時礦井的瓦斯抽采量及抽采率大大提高，保障了鉆孔的封孔質(zhì)量，解決了低透氣性煤層瓦斯抽采效果差的難題。

1 工作面概況

東曲礦為煤與瓦斯突出礦井，主要可采煤層為山西組2#、4#煤和太原組8#、9#煤，均為突出煤層，煤種有焦煤、瘦煤和貧煤，礦井絕對瓦斯涌出量133.40m3/min，相對瓦斯涌出量18.19m3/t。2#、4#、8#和9#煤層均屬于可以抽采，煤塵均具有爆炸性，2號煤為Ⅱ類自燃煤層，4號、8號、9號煤為Ⅲ類不易自燃煤層。

28802工作面位于+860水平八采區(qū)，北西為+860集中皮帶巷，北東為東翼軌道巷，南東為已回采的28804皮順，南西為八采邊界回風巷。28802工作面所掘進8#煤層屬上石炭統(tǒng)太原組煤層，煤厚2.57m-4.64m，平均3.87m，結(jié)構(gòu)復雜，煤層厚度變化不大，屬穩(wěn)定煤層。上部2#、4#煤大部分未回采。2#煤與8#煤層間為75m。煤層傾角1°-6°，平均傾角為4°。

該工作面走向長1052m-1080m/1048m-1080m，傾向105m/133m。8#煤層瓦斯吸附常數(shù)a值：27.0861m3/t·r，瓦斯吸附常數(shù)b值：1.0989MPa-1，煤的孔隙率：3.5%，8號煤層透氣性系數(shù)：0.396 m2/（MPa2.d），屬于可以抽放。由于八采區(qū)整體布置為北高南低，工作面順槽在掘進過程中一路下山，掘進期間絕對瓦斯涌出量為3.5m3/min。

2 抽采鉆孔的布置方式

抽采鉆孔施工從28802軌順口往里60m處開始至距切眼10m結(jié)束，鉆孔布置在巷道的左幫（沿掘進方向），鉆孔傾角：所有鉆孔均垂直于煤壁施工，根據(jù)28802工作面走向及8#煤傾角變化，考慮到鉆桿施工過程中存在一定的下沉量，鉆孔傾角取1°～2°。為增加28802工作面煤層的透氣性，提高抽采效果，使用CO2預裂增透技術(shù)對鉆孔進行預裂爆破，同時結(jié)合8#煤層瓦斯抽采半徑測定結(jié)果，將鉆孔開孔及終孔間距均確定為6m。鉆孔開孔高度距底板1.5m處。根據(jù)施工鉆機性能、煤層地質(zhì)條件、施工技術(shù)水平及相關(guān)要求，鉆孔設計深度為120m。共計設計施工本煤層鉆孔175個。

3 干式鉆進排渣原理及工藝

3.1 工作原理

除塵器是利用氣固混合物在作高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力，將粉塵從氣流中分離出來的干式氣固分離設備。由于顆粒所受的離心力遠大于重力和慣性力，所以分離效率較高。

除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)是一個圓錐形筒，筒上段切線方向裝有一個氣體入口管，圓筒頂部裝有插入筒內(nèi)一定深度的排氣管，錐形筒底有接受細粉的出粉口。含塵氣流一般以12-30m/s速度由進氣管進入旋風分離器時，氣流將由直線運動變?yōu)閳A周運動。旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分，沿器壁自圓筒體呈螺旋形向下朝錐體流動。此外，顆粒在離心力的作用下，被甩向器壁，塵粒一旦與器壁接觸，便失去慣性力，而靠器壁附近的向下軸向速度的動量沿壁面下落，進入儲渣倉，由出渣口落入編制袋里。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流，在下降過程中不斷向分離器的中心部分流入，形成向心的徑向氣流，這部分氣流就構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)向上的內(nèi)旋流。內(nèi)、外旋流的旋轉(zhuǎn)方向是相同的。最后凈化氣經(jīng)出氣口管排入蓄水倉，一部分未被分離下來的較細塵粒也隨之逃逸。自進氣口流入的另一小部分氣體，則通過除塵器與上升的內(nèi)旋氣流匯合，進入出風口，于是分散在這部分上旋氣流中的細顆粒也隨之被帶走。

3.2 工藝流程

干式鉆孔施工過程中利用礦井壓縮空氣作為鉆孔排渣的動力來源，利用巷道中風管產(chǎn)生的風壓，通過鉆機的送水器與風管連接，再將送水器與φ73mm鉆桿連接，采用φ113鉆頭施工順層鉆孔5m，然后將鉆頭、鉆桿退出，用毛巾包裹密封瓦斯接收器孔口段并用緊固件固定，之后插入鉆孔內(nèi)，瓦斯接收器出氣口與3寸軟管連接、排渣口用4寸軟管連接，打開鉆機的下風側(cè)安設一道凈化水幕，開機正常鉆進，鉆進過程中，鉆頭切削的煤屑經(jīng)過高壓風和螺旋鉆桿輸送到瓦斯接收器中，產(chǎn)生的鉆屑和煤體釋放的瓦斯分別勻速地進入抽采管路和除塵裝置中，鉆進中產(chǎn)生的粉塵沉降到除塵裝置中，瓦斯與空氣混合氣體通過3寸軟管輸排到蓄水倉中。如圖1所示。

4 抽采效果

4.1 鉆孔抽采量的測定

經(jīng)過對28802軌順本煤層鉆孔井下連續(xù)觀測數(shù)據(jù)可知，在采用干式鉆孔施工工藝和CO2增透預裂后，單孔瓦斯抽采濃度能夠穩(wěn)定在36%-95%，28802軌順本煤層鉆孔（175個鉆孔）平均單孔抽采量為0.0592m3/min。28802軌順本煤層抽采支管路的最高抽采濃度72.5%，抽采量為3.7m3/min。支管路平均抽采濃度67%，抽采量3.2m3/min，瓦斯抽采效果較好。

4.2 干式與濕式鉆孔單孔抽采效果對比分析

為對比干式與濕式兩種不同鉆進工藝的抽采效果，選擇了位于同一采區(qū)的28812工作面本煤層鉆孔，隨機抽取5個用濕式鉆進施工并且剛做完CO2增透預裂的鉆孔，每隔3天選取抽采數(shù)據(jù)，抽采情況見表1。

通過抽采情況表1可知，5個鉆孔連續(xù)40天的觀測，單孔瓦斯抽采濃度能夠穩(wěn)定在40%-80%之間，28812工作面本煤層鉆孔（5個鉆孔）平均單孔抽采量為0.0574m3/min。

在28802軌順本煤層鉆孔中也隨機抽取5個用干式鉆進施工并且剛做完CO2增透預裂的鉆孔，在相同的抽采時間內(nèi)對單孔的抽采濃度、抽采量進行連續(xù)觀測。抽采情況見表2。

同理通過抽采情況表2可知，5個鉆孔連續(xù)40天的觀測，單孔瓦斯抽采濃度能夠穩(wěn)定在57%-90%之間，28802工作面本煤層鉆孔（5個鉆孔）平均單孔抽采量為0.101m3/min。

通過上述抽采數(shù)據(jù)對比可知，采用干式鉆進施工的鉆孔同比濕式鉆進施工的鉆孔抽采濃度及抽采量都有較大提升。

4.3 干式與濕式鉆孔支管路抽采效果對比分析

28812工作面本煤層抽采支管路的最高抽采濃度61.8%，抽采量為2.47m3/min。支管路平均抽采濃度53.8%，抽采量1.89m3/min，如圖2所示。

28802工作面本煤層抽采支管路的最高抽采濃度72.5%，抽采量為3.7m3/min。支管路平均抽采濃度67%，抽采量3.2m3/min，如圖3所示。

通過圖2與3對比，28802工作面采用干式鉆進施工，抽采濃度相比濕式鉆進提高了15%，達到每孔50%以上，抽采量相比濕式鉆進增加了1.3m3/min。

5 結(jié)論

①干式鉆孔施工工藝能夠提高鉆孔的抽采濃度及抽采量，適用于煤與瓦斯突出煤層和低透氣性煤層，通過抽采瓦斯有效地消除或減弱瓦斯突出的危險性;

②干式鉆孔施工工藝尤其適用于下向孔，鉆孔成孔率高，鉆孔塌孔、卡鉆現(xiàn)象相比濕式大幅下降;

③使用鉆孔干式鉆進工藝后，不僅減少了水的消耗，降低了排水時人、財、物的投入，而且封孔的質(zhì)量得到保障，縮短了鉆孔的預抽時間，提高了礦井的抽采量及抽采率，降低了風排瓦斯量;

④采用干式鉆孔鉆進工藝并結(jié)合二氧化碳預裂增透技術(shù)，增加了煤層的透氣性，縮短了鉆孔的施工工期，延長了鉆孔的預抽時間，緩解了采掘抽銜接緊張的局面。

參考文獻：

[1]張愷光.干式鉆孔抽放瓦斯[J].煤礦安全，1982（02）.

[2]程國軍.回采工作面順層鉆孔抽放瓦斯研究[J].煤炭工程，2005（03）.