突出煤層煤巷掘進(jìn)瓦斯抽采方法研究

任硯東

摘 要： 隨著封孔工藝的發(fā)展，煤礦在瓦斯抽放時(shí)的抽放效率得到了提高。近些年，我國(guó)礦井開采深度日益增加，從前的低瓦斯礦井逐漸演變?yōu)楦咄咚沟V井或突出礦井，瓦斯抽放成為許多礦井解決瓦斯問題的根本途徑。因此，瓦斯高效率抽采成為煤礦開采的一項(xiàng)重要課題?；诖耍疚木屯怀雒簩用合锞蜻M(jìn)瓦斯抽采方法進(jìn)行詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞： 突出煤層;煤巷掘進(jìn);瓦斯抽采;方法

【中圖分類號(hào)】TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.36.276

1 引言

突出煤層瓦斯抽采是一直是制約我國(guó)煤礦安全高效開采的技術(shù)難題。我國(guó)突出煤層分布廣泛，在可采煤層中占比較大。突出煤層一般是指原始儲(chǔ)層條件下，煤體破碎、滲透性低、瓦斯壓力大的煤層，普氏系數(shù)f≤1。由于突出煤層煤質(zhì)軟、透氣性差、瓦斯壓力及含量大，鉆孔施工過程中易出現(xiàn)塌孔、埋鉆、抱鉆現(xiàn)象;鉆孔成孔后，孔壁穩(wěn)定性差，易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞。

2 概述

煤炭在可預(yù)見的一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)是我國(guó)的主要能源。隨著開采強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，我國(guó)突出礦井?dāng)?shù)量不斷增加，開采的突出煤層存在瓦斯治理難度大、煤層透氣性差等問題。因此，采用合適的煤層增透技術(shù)提升煤層透氣性對(duì)提升礦井安全生產(chǎn)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于有效封堵距離短，受瓦斯抽放鉆孔和水力造孔的影響，沿煤層抽放鉆孔封堵段煤層裂縫發(fā)育。瓦斯抽放鉆孔內(nèi)存在大量漏氣現(xiàn)象。隨著負(fù)壓抽放時(shí)間的增加，瓦斯抽放孔外的空氣，通過巷道邊部的裂隙和瓦斯抽放孔的裂隙進(jìn)入抽放煤體，煤層極易自燃。隨著開采深度的增加，高應(yīng)力軟煤層瓦斯抽放孔在施工過程中發(fā)生嚴(yán)重坍塌，造成封孔通道堵塞，導(dǎo)致布袋無法達(dá)到預(yù)定位置[1]。

3 突出煤層煤巷掘進(jìn)瓦斯抽采方法

3.1 水力壓裂增透技術(shù)

水力壓裂用高壓水作為動(dòng)力，并使煤層裂紋開始裂開且連通的情況。水力壓裂增透技術(shù)是利用高壓水經(jīng)鉆孔向煤體內(nèi)注入，被注入高壓水的速度要遠(yuǎn)大于煤體自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力的加大，在煤體內(nèi)部的高壓水壓力也開始增加，當(dāng)比煤體的巖石壓力大的情況下，煤層內(nèi)部原來的裂隙將會(huì)被高壓水壓開而出現(xiàn)新的流動(dòng)通道，因此煤體滲透性增加。相關(guān)研究表明，煤體出現(xiàn)破裂的壓力Pf是由地層垂向壓力決定，其關(guān)系是Pf=0.0265H+3.5式中H是煤層埋深。煤體內(nèi)多數(shù)是原生裂紋，是各向異性材料，受高壓水的影響不會(huì)出現(xiàn)新裂紋，是原生裂紋的擴(kuò)展延伸。注入水壓大于滲失水壓時(shí)，煤層受高壓水影響后就會(huì)出現(xiàn)起裂，而原始裂紋的壁面則會(huì)出現(xiàn)膨脹，加速了該裂紋擴(kuò)展和延伸，慢慢出現(xiàn)流動(dòng)的通道，致使煤層壓裂分解。煤體內(nèi)多數(shù)的很小裂紋在受到高壓水影響后將會(huì)不斷擴(kuò)展、貫通并成主裂紋，原級(jí)裂紋停止擴(kuò)展后，次級(jí)裂紋在原級(jí)裂紋之間邊緣端部則開始起裂。

3.2 超前排放鉆孔抽采技術(shù)

選用ZDY6000LD型煤礦用全液壓鉆機(jī)，最大額定轉(zhuǎn)矩為6000N.m，最大起拔力為210kN，主軸傾角-10°～20°，最大爬坡能力為20°。鉆孔位置宜選擇煤壁完整、無裂隙處開孔，采用卷纏聚氨酯封孔，孔口用水泥砂漿將抽采管固定牢固或用木楔塞緊，固定長(zhǎng)度0.5～1.0m，煤孔封孔長(zhǎng)度≥8m。煤巷掘進(jìn)面采用高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采服務(wù)，抽采管線設(shè)計(jì)為從煤巷掘進(jìn)面→采區(qū)回風(fēng)巷→回風(fēng)大巷→風(fēng)井→抽采泵站→利用（或放空）。

3.3 長(zhǎng)鉆孔整體壓裂

井下長(zhǎng)鉆孔水力壓裂作業(yè)可分為準(zhǔn)備階段、高壓注水階段和保壓階段。準(zhǔn)備階段主要包括設(shè)備連接、通孔、洗孔、封孔、試壓等;高壓注水階段包括注水壓裂、監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)過程;保壓階段包括停泵、保壓、排水等過程。壓裂后利用壓裂孔作為瓦斯抽放孔，實(shí)現(xiàn)多功能。準(zhǔn)備階段，對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行通孔作業(yè)，用清水反復(fù)沖洗，清除孔內(nèi)沉渣，然后對(duì)壓裂設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)膨脹式封隔器的工作原理，采用快速密封技術(shù)。根據(jù)鉆井過程中對(duì)地層巖性的識(shí)別，選用導(dǎo)靴、單流閥、壓差滑套和膨脹式封隔器組成的密封工具組合，在孔徑穩(wěn)定的井段下入。從油管中按壓，可利用水壓快速打開和膨脹橡膠筒，10分鐘內(nèi)可快速設(shè)置封孔工具組合。高壓注水階段采用整體不間斷壓裂，壓裂液選用清水，并詳細(xì)記錄壓裂時(shí)間、壓力、排量等數(shù)據(jù)。當(dāng)注水量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，停止壓裂作業(yè)。壓裂結(jié)束后，提起油管，切斷封隔器銷，實(shí)現(xiàn)解封。壓裂結(jié)束后進(jìn)行保壓，使鉆孔內(nèi)流體壓力緩慢降低直至恢復(fù)平衡，而后打開孔口閥門進(jìn)行排水作業(yè)。

3.4 高轉(zhuǎn)速空氣螺旋鉆進(jìn)技術(shù)

高轉(zhuǎn)速空氣螺旋鉆進(jìn)技術(shù)主要是以空氣為介質(zhì)，利用高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)的高速回轉(zhuǎn)優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)，同時(shí)壓風(fēng)從鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)入孔底，在孔壁與鉆桿之間的環(huán)空形成高速氣固混合氣流，同時(shí)煤粉顆粒在高速離心力作用下被懸浮起來，依靠風(fēng)力舉升作用和螺旋輔助排渣作用將鉆屑輸送至孔外，保證鉆孔排渣通道順暢;同時(shí)，壓縮空氣從鉆桿內(nèi)孔進(jìn)入，通過鉆頭水口進(jìn)入孔底后，起到冷卻鉆頭的作用[2]。采用空氣螺旋鉆進(jìn)技術(shù)配套大通徑快插式高葉片螺旋鉆桿施工有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：采用壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，能夠減小沖洗介質(zhì)對(duì)孔壁的沖擊，有效降低鉆進(jìn)過程中孔壁坍塌幾率，同時(shí)在空氣作用下，便于瓦斯快速釋放和解吸;依靠空氣和螺旋鉆桿高葉片機(jī)械推移復(fù)合動(dòng)力進(jìn)行排粉，排渣效果好，螺旋鉆桿的螺旋葉片在將一部分鉆屑推向孔口的同時(shí)，在高速旋轉(zhuǎn)過程中攪動(dòng)沉積在孔壁下側(cè)的鉆屑，利用空氣及時(shí)將鉆屑輸送至孔口，減少重復(fù)破碎，減輕鉆具摩擦生熱程度;鉆桿為插接式結(jié)構(gòu)，塌孔后便于可通過正、反轉(zhuǎn)處理，同時(shí)空氣進(jìn)入后，鉆屑呈氣固兩相流懸浮，在機(jī)械推移的作用下，順利排出孔外，降低卡鉆事故發(fā)生幾率。

4 結(jié)束語

綜上所述，由于我國(guó)煤層賦存條件及地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的瓦斯抽采措施難以滿足礦井瓦斯治理需要。因此，為了提升突出煤層瓦斯治理效率，增加采面回采巷道掘進(jìn)速度，礦井可以采用多方式聯(lián)合瓦斯抽采技術(shù)對(duì)瓦斯進(jìn)行治理，并取得顯著的安全效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳召英.郝海金.郝春生.趙晉斌.田慶玲.煤層氣井地面壓裂和井下長(zhǎng)鉆孔聯(lián)合抽采技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（08）：142-146.