回采工作面瓦斯抽采鉆孔布置技術(shù)研究

李文正

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

伯方煤礦3206 綜采工作面位于礦井二盤運(yùn)輸巷右翼，該工作面走向長(zhǎng)度1475 m，傾向長(zhǎng)度156 m。工作面開采3#煤層，煤層厚度3.32～7.56 m，均厚5.45 m，煤層傾角3°～6°，平均5°，煤層硬度系數(shù)0.3。工作面直接頂為粉砂巖，厚度5.6 m；基本頂為中粒砂巖，厚度4.8 m；直接底為細(xì)粒砂巖，厚度1.5 m；基本底為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，厚度4.4 m。工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為7.63 m3/min，煤層透氣性系數(shù)0.28 m2/MPa2·d，百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.046 2 L/min·hm，衰減系數(shù)0.028 7 d-1，屬典型高瓦斯工作面，且煤層硬度系數(shù)低、透氣性差、瓦斯抽采困難。工作面瓦斯治理主要采取順層鉆孔瓦斯抽采及頂板高位裂隙鉆孔瓦斯抽采，根據(jù)相鄰的3207 工作面回采期間瓦斯治理效果得知，采取的順層鉆孔存在塌孔及漏氣嚴(yán)重等情況，頂板高位裂隙鉆孔存在瓦斯抽采純量偏低情況。為避免同類問題出現(xiàn)在3206工作面，需研究各項(xiàng)瓦斯治理措施存在的問題，并研究?jī)?yōu)化方案[1-3]，以確保瓦斯治理的效果。

2 順層鉆孔抽采存在問題分析與優(yōu)化

2.1 順層鉆孔抽采存在問題分析

根據(jù)順層鉆孔施工工藝及預(yù)抽原理，對(duì)順層鉆孔采取了孔內(nèi)窺視、封孔效果及管路連接方面的分析：

1）在鉆孔窺視方面，鉆孔成孔并全部退桿后，立即采用CXK12 礦用鉆孔窺視儀窺視孔內(nèi)情況。窺視結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鉆孔成孔退桿后，即發(fā)生局部塌孔現(xiàn)象，距離孔口最近的塌孔發(fā)生在12～15 m 段，因塌孔堵死鉆孔造成可窺視的最大深度僅為38 m左右。窺視結(jié)果表明，順層鉆孔因煤體松軟，易發(fā)生塌孔、堵孔現(xiàn)象，導(dǎo)致下篩管深度受限，是影響順層鉆孔預(yù)抽效果的一個(gè)重要原因。

2）在鉆孔封孔效果及管路連接方面，對(duì)抽采過程中的鉆孔漏氣情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)方面的問題：① 鉆孔封孔深度為8 m，該封孔深度無法對(duì)孔口破碎范圍及破碎區(qū)以里的裂隙區(qū)實(shí)現(xiàn)全程封堵，導(dǎo)致抽采過程中從孔口煤壁向孔內(nèi)漏氣，降低了抽采負(fù)壓及瓦斯抽采濃度；② 孔內(nèi)套管連接方式為PVC 管插管的方式進(jìn)行連接，連接不夠牢固導(dǎo)致氣密性相對(duì)較差，加上后期受煤壁變形擠壓影響，易發(fā)生管路變形甚至從連接處脫落，導(dǎo)致有效抽采深度降低；③ 用于連接各順層鉆孔抽采管路的管箍皮墊易老化，導(dǎo)致后期管路漏氣較多，影響抽采負(fù)壓。

2.2 順層鉆孔抽采措施優(yōu)化

2.2.1 順層鉆孔護(hù)孔措施優(yōu)化

由于煤層硬度系數(shù)較低，加上鉆進(jìn)過程中對(duì)煤體的擾動(dòng)，導(dǎo)致鉆孔成孔退桿后易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，采用常規(guī)下篩管護(hù)孔較為困難，且下篩管深度受限，難以達(dá)到護(hù)孔的要求。為此，研究一套壓風(fēng)鉆進(jìn)以及鉆桿內(nèi)下篩管的技術(shù)，并首先在地面進(jìn)行可行性試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容：1）采用與順層鉆孔孔徑一致的有機(jī)玻璃管，并在管內(nèi)充填松軟的煤屑，長(zhǎng)度與順層鉆孔深度一致。2）在管內(nèi)每30 m 安裝一個(gè)壓力傳感器，以采集不同孔深處的壓力數(shù)據(jù)。3）在有機(jī)玻璃管中部安裝一個(gè)微型攝像頭，記錄壓風(fēng)鉆進(jìn)過程中煤粉在孔內(nèi)鉆桿與孔壁間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4）在有機(jī)玻璃管內(nèi)實(shí)施鉆進(jìn)過程以及退桿過程中在鉆桿內(nèi)下篩管的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用直徑32 mmPVC 篩管通過成孔退桿后立即下管，可實(shí)現(xiàn)鉆孔全程下篩管，實(shí)現(xiàn)順層鉆孔的全程護(hù)孔，有效防止塌孔，保證有效預(yù)抽深度。

2.2.2 封孔與聯(lián)孔措施優(yōu)化

通過在3206 工作面運(yùn)輸順槽試驗(yàn)不同深度的封孔預(yù)抽效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，封孔深度達(dá)到12 m以后能夠杜絕順層鉆孔封孔段煤壁漏氣問題。為保證后期預(yù)抽防漏氣的可靠性，將封孔深度確定為16 m，采用“兩堵一注”封孔工藝，孔口以里8～16 m段進(jìn)行封孔。

針對(duì)PVC 管插管連接存在的管路變形及脫落問題，將PVC 管更換為高壓膠管，連接方式優(yōu)化為環(huán)形卡連接。更換為高壓膠管后，管路耐壓能力強(qiáng)且不會(huì)壓裂，環(huán)形卡連接牢固可靠，不會(huì)出現(xiàn)脫落問題。

針對(duì)各支管連接存在的管箍皮墊易老化導(dǎo)致的漏氣問題，將連接管箍?jī)?yōu)化為法蘭盤連接，可保證鉆孔預(yù)抽期內(nèi)各支管連接的密封性。

3 頂板裂隙鉆孔抽采存在問題分析與優(yōu)化

3.1 頂板裂隙鉆孔抽采存在問題分析

由于工作面頂板巖層層理較發(fā)育，工作面回采后頂板垮落較為充分，加上部分頂板裂隙鉆孔設(shè)計(jì)層位不合理，未達(dá)到設(shè)計(jì)高度的鉆孔易發(fā)生隨頂板下沉現(xiàn)象，導(dǎo)致抽采失效。根據(jù)以往工作面頂板裂隙鉆孔抽采瓦斯純量數(shù)據(jù)可知，單孔抽采純量通常在5 m3/min 以下，難以滿足采空區(qū)瓦斯治理要求，是上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕叩囊粋€(gè)主要原因。其次是鉆場(chǎng)布置不合理，頂板裂隙鉆孔設(shè)計(jì)孔深為115～120 m，鉆場(chǎng)間距為80 m，因此，每組鉆孔的超前覆蓋區(qū)域?yàn)?5～40 m，單孔有效抽采距離較短，鉆孔利用率較低。此外，因鉆場(chǎng)間距較大，只能采用單個(gè)鉆場(chǎng)逐個(gè)抽采的方式，存在上一循環(huán)鉆孔已塌孔，而下一循環(huán)鉆孔無法抽采到該區(qū)域的問題。因此，必須優(yōu)化鉆場(chǎng)間距，并修改鉆孔參數(shù)，以確保頂板裂隙鉆孔瓦斯抽采的高效性。

3.2 鉆孔參數(shù)優(yōu)化方案

鉆孔參數(shù)優(yōu)化前，設(shè)計(jì)終孔距煤層頂板垂高為16～28 m。為確保鉆孔有效抽采段位于頂板裂隙帶內(nèi)，通過對(duì)工作面采高、頂板各巖層物理力學(xué)特征計(jì)算得知，工作面回采后頂板垮落帶高度為18～24 m，裂隙帶高度為18～40 m 區(qū)域，垮落高度呈工作面中部向兩巷方向逐漸降低的趨勢(shì)。因此，根據(jù)頂板垮落高度規(guī)律，將頂板裂隙鉆孔參數(shù)修改為終孔距煤層頂板垂高20～35 m。

3.3 鉆場(chǎng)布置優(yōu)化

為充分發(fā)揮鉆場(chǎng)的作用，有效提高每組鉆孔的抽采能力，通過結(jié)合每組鉆孔的有效抽采距離，在鉆孔深度不變情況下將鉆場(chǎng)間距調(diào)整為50 m，使每組鉆孔能夠有效覆蓋前兩個(gè)鉆場(chǎng)。此外，鉆場(chǎng)間距調(diào)整為50 m 后，可采取兩個(gè)鉆場(chǎng)通過聯(lián)管的方式進(jìn)行同時(shí)抽采，避免出現(xiàn)抽采空白區(qū)域的情況，實(shí)現(xiàn)連續(xù)瓦斯抽采，降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，從而降低工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取?yōu)化后的鉆孔及鉆場(chǎng)布置如圖1。

圖1 頂板裂隙鉆孔及鉆場(chǎng)優(yōu)化后布置圖（m）

4 效果分析

4.1 順層鉆孔優(yōu)化后效果分析

按照順層鉆孔措施優(yōu)化方案，將封孔與聯(lián)孔措施優(yōu)化后，在3206 工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，并對(duì)實(shí)施后的2021 年6 月至2022 年2 月間逐月平均瓦斯抽采濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)采用普通封孔及聯(lián)孔工藝的3207 工作面2021 年3 月至7 月間順層鉆孔預(yù)抽情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。優(yōu)化前后的抽采效果對(duì)比如圖2。

圖2 順層鉆孔優(yōu)化前后瓦斯抽采濃度柱狀圖

由圖2 可知，采用普通封孔及聯(lián)孔工藝的3207工作面順層鉆孔最高瓦斯抽采濃度21%，5 個(gè)月后下降至7.5%，不僅抽采濃度偏低，而且抽采濃度衰減較快。3206 工作面的順層鉆孔通過對(duì)鉆孔護(hù)孔、封孔及聯(lián)孔方面進(jìn)行優(yōu)化后，最高瓦斯抽采濃度達(dá)到34%，9 個(gè)月后下降至22%，優(yōu)化后的順層鉆孔不僅瓦斯抽采濃度大幅提高，而且能夠維持長(zhǎng)期較高的瓦斯抽采濃度，優(yōu)化后效果明顯。

4.2 頂板裂隙鉆孔優(yōu)化效果分析

按照頂板裂隙鉆孔措施優(yōu)化方案，在3206 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行方案實(shí)施，并對(duì)同時(shí)抽采的3 號(hào)鉆場(chǎng)、4 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔瓦斯抽采純量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制了圖3 所示的數(shù)據(jù)變化曲線圖。

圖3 3206 工作面頂板裂隙鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線圖

由圖3 可知，3206 工作面頂板裂隙鉆孔按照優(yōu)化方案實(shí)施后，3 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)最高瓦斯抽采純量達(dá)到11.4 m3/min，其平均瓦斯抽采純量計(jì)算結(jié)果為7.6 m3/min；4 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)最高瓦斯抽采純量達(dá)到13.5 m3/min，其平均瓦斯抽采純量計(jì)算結(jié)果為8.3 m3/min。與優(yōu)化之前的平均瓦斯抽采純量不足5 m3/min 有大幅提高。此外，3 號(hào)、4 號(hào)鉆場(chǎng)同時(shí)抽采，抽采效率成倍提升。

4.3 工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯治理效果分析

為驗(yàn)證順層鉆孔及頂板裂隙鉆孔優(yōu)化后工作面瓦斯治理的效果，對(duì)3206 工作面回采期間的上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4。

圖4 3206 工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆r

根據(jù)3206 工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，2022 年1 月12 日至2 月12 日工作面回采期間，上隅角最高瓦斯?jié)舛?.67%，平均瓦斯?jié)舛?.48%,；回風(fēng)流最高瓦斯?jié)舛葍H在1 月19 日老頂來壓期間達(dá)到0.6%，其余時(shí)間最高瓦斯?jié)舛炔怀^0.5%，平均瓦斯?jié)舛?.36%。工作面上隅角及回風(fēng)流最高瓦斯?jié)舛染匆虺抻绊懝ぷ髅姘踩a(chǎn)。

5 結(jié)論

采取孔內(nèi)下篩管可有效防止塌孔；將PVC 管更換為高壓膠管，并優(yōu)化連接方式，可保證抽采管路連接的氣密性；適量加深封孔深度，可有效解決孔壁漏氣問題；通過縮小鉆場(chǎng)間距、調(diào)整終孔距煤層距離以及兩個(gè)鉆場(chǎng)同時(shí)抽采等措施，可實(shí)現(xiàn)頂板裂隙帶瓦斯連續(xù)抽采，保證較高的瓦斯抽采純量，解決工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^高問題。通過對(duì)順層鉆孔抽采措施優(yōu)化及頂板裂隙鉆孔布置優(yōu)化后，工作面瓦斯治理效果顯著，未出現(xiàn)瓦斯超限情況，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)。