大直徑長鉆孔預抽本煤層瓦斯技術優(yōu)化研究與應用

陳志星

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

新元煤礦現(xiàn)階段所采9號煤層屬于典型的松軟破碎煤層，煤層具有瓦斯壓力大、透氣性差等特點[1-2]。瓦斯抽采、煤與瓦斯突出問題治理難度大，傳統(tǒng)的瓦斯抽采治理辦法應用效果差、耗時長，嚴重影響礦井回采工作面的高產高效。新元煤礦9108工作面為9號煤第三個回采工作面，根據9107工作面回采之前及前期瓦斯統(tǒng)計情況，預測相對瓦斯涌出量為11.70 m3/t，該工作面預計平均日產量為5 500 t，所以絕對涌出量為44.7 m3/min.9108工作面本煤層瓦斯抽采采用雙側單排長鉆孔深孔布置方式，其抽采期間主要的難題有：①順層鉆孔鉆進施工困難，塌孔、沖孔、卡鉆現(xiàn)象較多，成孔率低，鉆孔施工耗時長；②瓦斯壓力大，透氣性差，抽采效果差。為保障9108工作面的高產高效，對本煤層瓦斯預抽技術展開了相關研究。

1 工程概況

新元公司(新元煤礦)9108綜采工作面井下南鄰9號煤一采區(qū)大巷，東鄰9107進風巷，西鄰9109進風巷；上部為3號煤3415、3416工作面(已采完),其中3415進風巷位于9108工作面79架附近上部，3416進風巷位于9108工作面51架附近上部。煤層以亮煤為主，內生裂隙發(fā)育，9號煤屬于復合頂板，煤層中含2～3層泥質夾矸，巷道揭露上部含有約0.1 m的8下煤，中間夾矸厚度為0.20～1.50 m.9號煤層厚度1.1～3.3 m，平均2.77 m.工作面回采期間布置4條巷道，分別是進風巷、回風巷、低位抽放巷和高抽巷。進、回風巷設計均沿9號煤層頂板布置。低位抽放巷距回風巷水平距離35 m，沿8號煤頂板上方1m左右的巖層布置，距9號煤頂板約8 m.

2 碎軟煤層長鉆孔施工裝備及工藝研究

就新元煤礦現(xiàn)有技術而言，本煤層順層鉆孔最大有效深度多為120～150 m，鉆孔的成孔率為55%～65%.新元煤礦9號煤層回采工作面傾斜長度為220～240 m，單個順層鉆孔無法覆蓋工作面的寬度，更無法實現(xiàn)對接替工作面掘進巷道區(qū)域瓦斯的預抽和消突。9108工作面選用“短掘短抽”的方式進行本煤層瓦斯的消突，出現(xiàn)巷道掘進施工與本煤層瓦斯預抽相互干擾的問題。同時由于9號煤層本身瓦斯含量高、壓力大、松軟破碎，順層鉆孔施工效率低下。結合9108工作面實際工程地質條件，引入EH260 型高轉速液壓螺旋鉆進鉆機。該鉆機的設計成孔深度可達300 m，能夠覆蓋工作面的寬度，同時能夠覆蓋本工作面另一回采巷道及接替工作面鄰近巷道的掘進區(qū)域，達到遞進式區(qū)域抽采的效果。該鉆機鉆速為900～1 000 r/min，鉆頭直徑127 mm，通過高鉆速來杜絕卡鉆問題。采用螺旋鉆桿避免壓風排粉引起的鉆孔內著火、瓦斯爆炸等問題，鉆機及鉆桿實物見圖1.

圖1 EH260 型高轉速液壓螺旋鉆進鉆機實物圖

3 鉆孔抽采煤層瓦斯影響因素數值模擬分析

本煤層瓦斯預抽常用工藝包括邊掘邊抽、先抽再掘等。對于煤與瓦斯突出煤層均需先進行瓦斯預抽消突方可進行巷道的掘進或工作面的回采。掘巷開始到工作面形成再到抽采達標通常需要400～600 d，因此煤層瓦斯抽采效率對于礦井高產高效具有重要意義。為更加合理地設計9108工作面順層鉆孔區(qū)域瓦斯抽采相關參數，以新元煤礦9108進風巷工程地質條件為背景，采用COMSOL軟件建立二維物理模型[3]。模型規(guī)格長×高=20 m×3.0 m，二維模型具體形式及網格劃分如圖2所示，鉆孔布置在模型中央，直徑為130 mm.

圖2 數值計算模型(m)

采用上述模型進行鉆孔抽采負壓及抽采半徑的模擬研究，采用控制變量法對各因素的影響效果進行分析，抽采負壓取值分別為-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa，得到圖3(a)所示結果，抽采負壓越大，瓦斯抽放量越大，因此在保證抽采鉆孔封孔質量的前提下，應盡可能采用較高的抽采負壓，但抽采負壓越大意味著抽采成本越高。同時考慮抽采管路的氣密性及封孔效果、設備配套等問題，采用較高的抽采負壓將存在一定的風險和困難，因此確定抽放鉆孔負壓合理取值為-30 kPa左右。由圖3(b)可知，抽采負壓為-30 kPa時，鉆孔的有效抽采半徑隨著抽采時間的增大而逐漸增大，抽采20 d時，有效抽采半徑達到2.0 m，表明大直徑鉆孔的有效抽采半徑不小于2 m.

圖3 數值模擬結果

4 封孔工藝優(yōu)化研究

新元煤礦9號煤層瓦斯抽采順層鉆孔采用“兩堵一注”封孔工藝，根據其應用效果的不足將其改進為帶壓封孔工藝。當順層鉆孔施工完成后直接放入封孔套管，對孔壁形成一定的保護作用，之后再進行注漿封孔。為確定9108進風巷內順層鉆孔的合理封孔長度，在現(xiàn)場進行鉆屑法實驗[4]，共設計6個采樣鉆孔，鉆孔長度20 m，鉆屑量隨深度的變化規(guī)律見圖4(a)。鉆進深度小于10 m時，每米鉆屑量呈緩慢增大趨勢，表明隨著鉆孔深度的增大，煤體的松動破碎程度逐漸減弱，在鉆進深度10～16 m期間，每米鉆屑量迅速增大，在深度16～17 m附近達到峰值，表明該區(qū)域煤體完整性良好，封孔段設置在該區(qū)域較合理，因此確定9108進風巷實體煤壁順層鉆孔封孔深度17 m，封孔段深度為9～17 m，具體原理及組成如圖4(b)所示。

圖4 鉆屑法實驗結果及封孔原理

5 順層長鉆孔設計施工及應用效果評價

5.1 順層鉆孔設計及現(xiàn)場施工評價

9108工作面實行長鉆孔遞進式抽采工藝，在已掘的9108進風巷采用EH260大功率鉆機進行順層長鉆孔施工，鉆孔深度覆蓋9108工作面及9108回風巷、9109進風巷巷道輪廓線，鉆孔水平間距2.0 m，鉆孔總長度不大于300 m，當鉆進深度達到300 m時即停止施工，鉆孔布置平面圖見圖5(a)，鉆孔深度及下篩管長度見圖5(b)。

圖5 順層鉆孔應用情況總結(m)

共150個順層鉆孔，鉆孔深度達到260 m及以上的共131個，成孔率為87.3%，篩管平均長度為242.9 m，滿足掩護9108 工作面回采及回風巷掘進的要求。

5.2 順層區(qū)段預抽瓦斯效果評價

原普通順層鉆孔瓦斯抽采濃度平均值約為5.5%，EH260 鉆機大直徑順層長鉆孔瓦斯抽采濃度平均值約為86.9%，瓦斯?jié)舛忍岣?5.8倍，百米鉆孔瓦斯抽采純量由0.000 5 m3/min·hm提高至0.055 m3/min·hm，百米鉆孔瓦斯采純量提高了110倍，與鄰近區(qū)域順層鉆孔抽采效果相比，采用EH260 鉆機大直徑順層長鉆孔抽采效果非常理想。9108回風巷在順層長鉆孔的掩護下安全掘進量超過800 m，未出現(xiàn)任何煤與瓦斯突出事故，平均掘進速度達到160 m/月，9107進風巷掘進期間平均速度為80 m/月，起到了良好的消突效果，保障了掘進工作面的安全高效生產。

6 結 語

1) 新元煤礦引進采EH260 型高轉速液壓螺旋鉆進鉆機進行順層鉆孔施工，該鉆機鉆進深度大、鉆速快、排渣效果好，可提高鉆孔施工效率，實現(xiàn)長鉆孔遞進式抽采工藝。

2) 順層鉆孔合理抽采負壓為-30 kPa，抽采20 d時，有效抽采半徑為2.0 m，封孔段深度9～17 m，封孔段長度8 m.

3) 采用EH260大功率鉆機鉆孔及帶壓方可封孔工藝后，與原鉆機鉆孔抽采相比，成孔率達到87.3%，抽采瓦斯?jié)舛忍岣吡思s15.8倍，百米鉆孔瓦斯采純量提高了110倍，巷道掘進速度由80 m/月提高至160 m/月，瓦斯抽采及消突效果良好。