大直徑穿層卸壓鉆孔抽采效果考察與分析

何 勇 徐燕飛

（1、淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001 2、平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001）

作為煤層群開采的礦井，要依據(jù)煤層群條件的特點(diǎn)，推廣循環(huán)卸壓，追求卸壓效果最大化的卸壓開采理念[1]。礦山巖層移動(dòng)理論研究，煤層在開采過程中，頂?shù)装鍘r層冒落、移動(dòng)，產(chǎn)生裂隙，開采煤層和卸壓煤層內(nèi)的瓦斯卸壓、解吸。由于瓦斯具有升浮移動(dòng)和滲透特性，來自于大面積的卸壓瓦斯沿裂隙通道匯集到裂隙充分發(fā)育區(qū)，即匯集到環(huán)形裂隙圈內(nèi)，在環(huán)形裂隙圈內(nèi)形成瓦斯積存庫[2]，把抽采鉆孔和巷道布置在環(huán)形裂隙圈內(nèi)，能夠獲得理想的抽采效果[3-5]。卸壓開采措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯2 類[6]，而保護(hù)層開采獲得卸壓效果最大，因此也要求具備開采保護(hù)層條件的突出危險(xiǎn)區(qū)必須開采保護(hù)層，并做到連續(xù)化、規(guī)?；_采，同時(shí)抽采被保護(hù)層和鄰近層瓦斯[7]。而利用鉆孔抽采卸壓瓦斯是煤礦目前最為常用的方法之一，技術(shù)上也較為成熟。

1 新莊孜礦井概況

新莊孜礦屬于近距離突出煤層群開采，可采煤層7 層，均為突出煤層。礦井采取區(qū)域瓦斯治理措施，選擇瓦斯含量較小、煤層相對較薄、突出危險(xiǎn)性較低[8]的10 煤層作為關(guān)鍵保護(hù)層開采，實(shí)現(xiàn)“中間來一刀、上下都解放”[9]，對上保護(hù)11 煤、開采11煤保護(hù)13 煤，對下保護(hù)8 煤、開采8 煤保護(hù)7 煤、開采7 煤保護(hù)6 煤。通過多重開采上部煤層下向卸壓，在被卸壓煤層底板巷，施工鉆孔與被卸壓煤層卸壓瓦斯富集區(qū)連通，抽采被卸壓煤層瓦斯[10]。立體式瓦斯抽采,有效解決了保護(hù)層開采期間防突和瓦斯治理難題，使得被保護(hù)層既消除了突出危險(xiǎn)，又處于低瓦斯?fàn)顟B(tài)下安全采掘，從源頭上消除礦井安全威脅，治理模式在66110、62110、62210 等工作面應(yīng)用后效果明顯，已形成規(guī)模化、連續(xù)化、安全高效開采。但由于礦井瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，在卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)成功的同時(shí)，面臨鉆孔施工工程量大所帶來的突出問題。如何以最小的投入獲得最大化效果，技術(shù)上先進(jìn)、效果上顯著，既安全可靠又高效經(jīng)濟(jì)，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化，推動(dòng)企業(yè)高質(zhì)量運(yùn)行的關(guān)鍵。為此，我們從卸壓鉆孔設(shè)計(jì)、施工、封孔、抽采等多環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，提高了卸壓鉆孔的孔徑，并對抽采效果進(jìn)行全面考察分析,達(dá)到了預(yù)期目的，取得了理想效果。

2 瓦斯治理巷道、大直徑卸壓鉆孔設(shè)計(jì)與施工

2.1 瓦斯治理巷道情況

62210 關(guān)鍵工作面走向長1250m，傾斜長195m,平均煤厚1m，煤層傾角25°，原始瓦斯壓力為1.7MPa，原始瓦斯含量為10.7m3/t。工作面采取“一面六巷”[11]瓦斯治理技術(shù)，即10 煤高抽巷、13煤底板巷抽采上覆11 煤卸壓瓦斯，6 煤底板巷穿層抽采6、7 煤卸壓瓦斯，10 底板巷抽采8 煤卸壓瓦斯。

62206 底板巷，標(biāo)高-812m，全長1300m，巷道寬×高為4.6m×3.4m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，底板巷下幫每20m 布置一個(gè)鉆場，鉆場寬×深×高=4m×4m×3m，用于施工6 煤與7 煤穿層卸壓鉆孔，鉆孔孔徑為Ф94mm，卸壓抽采半徑為10m，鉆孔布置20m×20m。6 煤與7 煤層間距8～11m，7 煤與8 煤層間距10～15m。6 煤平均煤厚3.5m，瓦斯壓力3.4MPa，瓦斯含量13m3/t；7 煤平均煤厚4.0m，瓦斯壓力1.8MPa，瓦斯含量11m3/t；8 煤平均煤厚2.0m，瓦斯壓力2.6MPa，瓦斯含量12.5m3/t。6 煤層底板為深灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖，頂板深灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖，7 煤層底板為深灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖，頂板為灰色中厚層狀砂質(zhì)泥巖，8 煤層底板為灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖，頂板灰色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖。

2.2 大直徑卸壓鉆孔設(shè)計(jì)與施工工藝

2.2.1 大直徑卸壓鉆孔設(shè)計(jì)

在62206 底板巷13#鉆場，對B8 煤層布置一個(gè)大直徑考察孔，孔徑為Ф153mm，鉆孔布置在保護(hù)范圍內(nèi)的8 煤層中段位置（如圖1）。

圖1 62206 底板巷大直徑考察孔布置圖

2.2.2 鉆孔施工工藝

采用Φ153mm 鉆頭施工0.5～1m，到位后安裝簡易防噴。為確保鉆孔軌跡不彎曲，盡可能保直鉆進(jìn)，使用Φ94mm 鉆頭開孔，開孔時(shí)要輕壓慢進(jìn)，鉆進(jìn)中要給壓均勻，終孔孔深為穿過8煤層并進(jìn)入頂板0.5m。巖石段采用清水排渣方式鉆進(jìn)，預(yù)計(jì)見6煤前2m 換壓風(fēng)排渣方式施工至終孔。鉆孔到位后，換Φ113mm鉆頭、Ф153mm 鉆頭逐級擴(kuò)孔，終孔孔徑為Ф153mm。鉆孔施工過程中，防噴裝置正常規(guī)范使用，抽采旁通處于連續(xù)抽采狀態(tài)。

2.2.3 鉆孔封孔

鉆孔全程下4 吋套管，6～8 煤段下4 吋花管。套管下到位后，先對套管進(jìn)行固定，然后從套管與鉆孔間隙之間下一根4 分輔助管作為注漿管，孔口采用聚氨酯、麻袋片封堵，封堵長度不小于1m。用注漿泵從4 分輔助管注漿，水灰比0.7:1 的水泥漿。鉆孔采用二次注漿方式封孔，第一次注漿結(jié)束后，間隔約15～30min 后，進(jìn)行第二次注漿，再從套管返漿后注漿結(jié)束。注漿壓力均不小于4Mpa。（圖2）

圖2 62206 底板巷大直徑考察孔封孔示意圖

3 卸壓抽采效果分析

3.1 卸壓抽采效果

為了考察大直徑鉆孔抽采效果，在62206 底板巷13#鉆場大直徑鉆孔(Φ153mm)、12# 鉆場及小直徑鉆孔（Φ91mm）單孔分別安裝了1 套漩進(jìn)漩渦流量計(jì)與管道甲烷傳感器，鉆孔合茬抽采后開始計(jì)量。瓦斯?jié)舛取⑼咚钩椴闪孔兓闆r如圖3、圖4所示。

圖4 62206 底板巷大直徑考察孔抽采純量曲線圖

由圖3 抽采數(shù)據(jù)分析知：在抽采負(fù)壓均為30KPa 時(shí)，大直徑鉆孔(Φ153mm)、12#鉆場及小直徑鉆孔（Φ94mm）,從超前工作面10m 開始抽采，至工作面推過鉆孔60m 時(shí)，抽采濃度基本穩(wěn)定在90%以上。

圖3 62206 底板巷大直徑考察孔抽采濃度曲線圖

由圖4 抽采數(shù)據(jù)分析知：小直徑鉆孔（Φ94 mm）從超前工作面10m 開始抽采，剛開始抽采量很小，在工作面推過鉆孔10m 左右時(shí)，抽采量大幅度增加，最大達(dá)0.4m3/min，工作面推過鉆孔20m 左右時(shí)基本穩(wěn)定0.3m3/min。12#鉆場從超前工作面10m 開始抽采，剛開始抽采純較低，隨著工作面推進(jìn)，抽采量逐漸增加，最大達(dá)4.1m3/min，在工作面推過鉆場10～60m 之間，抽采量穩(wěn)定在3.2m3/min。大直徑鉆孔(Φ153mm) 從超前工作面10m 開始抽采，剛開始抽采量也較低，在工作面推過鉆場10m左右時(shí)，抽采量也大幅度增加，最大達(dá)4.0m3/min，在工作面推過鉆場10～60m 時(shí)，抽采量穩(wěn)定在3.0m3/min。

3.2 抽采情況分析

大直徑鉆孔和小直徑鉆孔，從超前工作面10m 開始抽采，至工作面推過鉆孔60m 時(shí)，在抽采負(fù)壓相同的情況下，小直徑鉆孔和大直徑鉆孔, 抽采濃度基本穩(wěn)定在90%以上，無較大差別。

大直徑鉆孔單孔平均抽采純量約3.0m3/min，小直徑鉆孔單孔平均抽采純量約0.3m3/min，鉆場平均抽采純量約3.2m3/min，說明大直徑鉆孔的抽采瓦斯量是小直徑鉆孔的10 倍，也相當(dāng)于鉆場的抽采瓦斯量。

4 結(jié)論

4.1 卸壓抽采效果取決于是否長時(shí)間抽出高濃度、大流量的瓦斯，卸壓抽采鉆孔應(yīng)布置在上覆巖層瓦斯富集區(qū)內(nèi)，一般在超前工作面10m 至工作面之后60m 范圍內(nèi)，抽采效果最佳，有利于抽出高濃度、大流量瓦斯。

4.2 大直徑卸壓鉆孔抽采效果是小直徑鉆孔的近10 倍，大直徑卸壓鉆孔的應(yīng)用可大大減少鉆孔施工工程量，實(shí)現(xiàn)成本最小化和抽采效果最大化，該技術(shù)的應(yīng)用是卸壓抽采技術(shù)的發(fā)展方向。

4.3 鉆孔施工過程中，防噴裝置應(yīng)正常規(guī)范使用，抽采旁通處于連續(xù)抽采狀態(tài)，以防止鉆孔噴孔造成瓦斯事故或傷人；同時(shí)要盡可能保直鉆進(jìn)，確保鉆孔軌跡不彎曲，以確保鉆孔按設(shè)計(jì)要求施工到位。