陳 寧 丁志超 路文文

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

利用鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采是目前我國(guó)高瓦斯礦井普遍采用的降低瓦斯危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)瓦斯利用的有效手段。部分煤層由于煤質(zhì)松軟、瓦斯壓力大等原因，容易出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)、塌孔以及變形速度快、堵塞通道等現(xiàn)象，影響了瓦斯抽采效果[1-4]。為此，提高抽采鉆孔成孔率、減少鉆孔塌孔對(duì)提高瓦斯抽采率、實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

陜西陜煤黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦1010工作面位于十盤(pán)區(qū)東南部，工作面傾斜長(zhǎng)度180 m，走向長(zhǎng)度2060 m，綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。所采煤層為2號(hào)煤，煤層厚1.17～6.70 m，平均5.27 m，煤層傾角2°～10°，平均6°，2號(hào)煤為特低硫、特高熱量無(wú)煙煤。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 2號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

1.2 2號(hào)煤瓦斯參數(shù)

煤層的基本瓦斯參數(shù)包括瓦斯壓力、含量、透氣性系數(shù)等，是瓦斯治理的基本要求。為此，采用打鉆取樣、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等方式確定三采區(qū)2號(hào)煤瓦斯基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2號(hào)煤瓦斯參數(shù)

2 抽采鉆孔穩(wěn)定性分析

2.1 煤層鉆孔失穩(wěn)

黃陵一礦的瓦斯抽采鉆孔布置在本煤層中，鉆進(jìn)深度為120 m，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔布置示意圖（m）

在鉆孔施工過(guò)程中，許多鉆孔出現(xiàn)了垮塌、卡鉆、噴孔等孔壁失穩(wěn)以及壓鉆、卡鉆、響煤炮等情況，成孔深度一般在40～80 m，平均62 m，延長(zhǎng)了鉆孔施工周期，降低了鉆進(jìn)效率，嚴(yán)重影響鉆孔瓦斯抽采效果。

2.2 煤層鉆孔內(nèi)應(yīng)力分布

2號(hào)煤層的預(yù)抽瓦斯抽采鉆孔布置在煤層中，由表1反算煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為7.9 MPa，煤層較為松軟，是造成成孔率低、長(zhǎng)度短的主要原因。由于鉆孔的施工，破壞了煤體中的原始應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡[5-6]。從孔口到孔底可分為四個(gè)區(qū)域，如圖3。

表2 部分鉆孔施工情況

圖3 巷道內(nèi)鉆孔應(yīng)力分布

（1）卸壓區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤體受力超過(guò)了其極限強(qiáng)度，煤體屈服后進(jìn)入塑性變形階段。黃陵一礦2號(hào)煤普氏系數(shù)低，該區(qū)域的距離相對(duì)較長(zhǎng)，并且瓦斯壓力梯度小。煤體破碎，產(chǎn)生大量裂隙，瓦斯向臨空面涌出。

在該區(qū)域內(nèi)最容易發(fā)生垮孔現(xiàn)象，但由于裂隙發(fā)育，瓦斯泄漏通道較多，不會(huì)出現(xiàn)噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

（2）峰后應(yīng)力集中區(qū)

該區(qū)域內(nèi)煤體相對(duì)完整，但煤體內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生大量的裂隙，并且煤體中的瓦斯鉆孔遷移，游離瓦斯逐漸增多，瓦斯的涌出進(jìn)一步降低了煤體的強(qiáng)度，煤體進(jìn)入塑性軟化變形階段。

當(dāng)鉆孔施工至該區(qū)域時(shí)，由于卸壓作用，煤體進(jìn)一步向殘余塑性區(qū)轉(zhuǎn)變。游離瓦斯的不斷涌入使得該區(qū)域內(nèi)的瓦斯壓力相對(duì)較高。隨著鉆孔的施工，瓦斯壓力梯度不斷增大，在峰值附近達(dá)到最大。當(dāng)應(yīng)力梯度和積蓄的變形潛能超過(guò)孔壁煤體的承載能力時(shí)，孔壁發(fā)生失穩(wěn)，破壞形式為拉伸破壞。在該區(qū)域內(nèi)尤其是應(yīng)力峰值附近有可能出現(xiàn)噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

（3）峰前應(yīng)力集中區(qū)

隨著鉆孔深度的增加，該區(qū)域內(nèi)煤體所承受的垂直應(yīng)力逐漸增加，但沒(méi)有超過(guò)煤體的極限強(qiáng)度，因此煤體仍處于彈性變形狀態(tài)。該區(qū)域內(nèi)的煤體受孔壁圍壓的作用，裂紋產(chǎn)生較少，煤體滲透率減小。

鉆孔施工至該區(qū)域時(shí)，孔壁煤體出現(xiàn)殘余應(yīng)變區(qū)，煤體的應(yīng)力梯度逐漸縮小，孔壁相對(duì)穩(wěn)定，一般不會(huì)發(fā)生噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

（4）原始應(yīng)力區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤體仍處于原始狀態(tài)，煤體賦存狀態(tài)和瓦斯賦存變化相對(duì)較小。當(dāng)鉆孔施工至該區(qū)域時(shí)，孔壁穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生垮孔現(xiàn)象。

以上分析可以看出，卸壓區(qū)最容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象；峰前應(yīng)力集中區(qū)最容易發(fā)生垮孔以及噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象；峰后應(yīng)力集中區(qū)孔壁也容易失穩(wěn)，但噴孔的幾率大大降低；原始應(yīng)力區(qū)的孔壁最為穩(wěn)定。

3 瓦斯抽采鉆孔施工

3.1 抽采鉆孔布置

在1010工作面的回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽分別施工扇形順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯。兩順槽內(nèi)每隔50 m施工一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工15個(gè)鉆孔，鉆孔開(kāi)孔間距為0.6 m，終孔間距為3 m，上下兩層布置，鉆孔深度不小于140 m。

3.2 提高成孔長(zhǎng)度措施

3.2.1 采用螺旋鉆進(jìn)和壓風(fēng)排渣技術(shù)

螺旋鉆進(jìn)技術(shù)是在鉆進(jìn)過(guò)程中利用鉆桿螺旋葉片連續(xù)排屑，采用的是干式成孔，無(wú)沖洗液，減少了對(duì)孔壁的沖刷，有利于成孔的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的排渣工藝是利用水將鉆屑排出，同時(shí)冷卻鉆頭，但對(duì)孔壁的影響較大，容易發(fā)生塌孔。壓風(fēng)排渣是利用壓縮空氣經(jīng)過(guò)鉆桿和鉆頭進(jìn)入孔底，在鉆孔內(nèi)形成具有一定速度的風(fēng)流，將鉆屑吹向孔口。

1010工作面采用的螺旋鉆機(jī)型號(hào)為ZYW-1900R型，鉆頭直徑為85 mm，鉆孔深度不得低于100 m，最大為160 m，鉆進(jìn)速度為0.5～1 m/min。

3.2.2 全孔段下篩管工藝

采用大孔徑三“花瓣”形開(kāi)閉式鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)深度后，將抽采篩管從鉆桿內(nèi)的通孔下放到鉆孔的最底端，最后退出鉆桿，如圖4所示。該技術(shù)可有效避免因塌孔造成的抽采管難以下放問(wèn)題，長(zhǎng)期抽采效果較好。

圖4 全長(zhǎng)篩管安裝示意圖

根據(jù)黃陵一礦2號(hào)煤的地質(zhì)條件，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定篩管的直徑為50 mm，在孔口預(yù)留18 m的PE管（直徑為75 mm）作為封孔段，剩余鉆孔段全部下放篩管，篩管與PE管之間采用變徑接頭連接。

3.2.3 提前注漿加固

為減少塌孔，在鉆孔施工地點(diǎn)提前對(duì)巷道回采幫進(jìn)行加固，加固范圍為孔口以里15 m范圍內(nèi)。每個(gè)鉆場(chǎng)布置5個(gè)注漿鉆孔，鉆孔深度為20 m，采用Φ50 mm探水鉆機(jī)施工。注漿鉆孔布置如圖5。

圖5 注漿鉆孔布置示意圖（m）

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 鉆孔成孔率

新型ZYW-1900R型鉆機(jī)在1010回風(fēng)順槽施工了55個(gè)下向孔，鉆孔總計(jì)進(jìn)尺6077 m，平均孔深110.5 m，最大成孔深度達(dá)165 m，平均每天進(jìn)尺為184.2 m。新舊鉆孔的使用對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 新舊鉆孔使用對(duì)比

3.3.2 瓦斯抽采濃度

對(duì)鉆孔成孔后4個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采濃度進(jìn)行觀測(cè)。采用新型鉆機(jī)施工，并且安設(shè)全長(zhǎng)篩管的鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓鐖D6。

圖6 瓦斯抽采濃度變化圖

由圖可以看出，在4個(gè)月的抽采時(shí)間內(nèi)，瓦斯抽采濃度一直保持在70%～80%之間，變化幅度較小，抽采效果好。

4 結(jié)論

（1）瓦斯抽采鉆孔可分為四個(gè)區(qū)域，卸壓區(qū)最容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象，峰前應(yīng)力集中區(qū)最容易發(fā)生垮孔以及噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

（2）全長(zhǎng)篩管護(hù)孔瓦斯抽采技術(shù)可以在不回鉆的情況下將篩管下放到鉆孔底部，有利于鉆孔的穩(wěn)定。

（3）通過(guò)采用螺旋鉆桿、全長(zhǎng)篩管護(hù)孔、預(yù)注漿加固等技術(shù)，1010工作面瓦斯抽采鉆孔成孔率明顯提高，長(zhǎng)期抽采瓦斯?jié)舛认陆敌?，保證了工作面的安全回采。