基于卸压开采的下向穿层钻孔抽采瓦斯技术

2014-12-16肖峻峰

安徽建筑大学学报 2014年1期

何勇，肖峻峰

（1．淮南矿业（集团）有限责任公司新庄孜煤矿，安徽淮南 232072；2．安徽建筑大学安全工程系，安徽合肥 230022）

开采保护层是迄今防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的根本措施。对于开采上保护层，必须对被保护层进行卸压抽采，才能使被保护层得到充分卸压［1－3］。以前卸压抽采是在被保护层的底板专门施工专用抽采巷道，在巷道内施工穿层钻孔抽采瓦斯，以达到充分卸压的目的，该方法必须投入大量的人力、物力，巷道施工工期长，工艺繁琐，影响到矿井生产正常接替；而对于没有或不具备施工底板巷的被保护层，就必须在保护层巷道内施工下向钻孔进行抽采，下向钻孔采用泥浆排渣法，由于被保护层瓦斯压力大，容易发生顶钻、夹钻和喷孔，致使孔内煤岩粉难以排出，造成排渣困难，经常发生埋钻现象，钻孔成孔率低，钻进速度缓慢，制约了瓦斯抽采工程的进度，且泥浆排渣造成巷道环境差［4－6］。并且在抽采过程中，由于孔内煤岩粉堵塞，造成瓦斯抽采通道不顺畅，抽采浓度较低，抽采量衰减快，因此抽采效果差。

在52210工作面开采过程中，为了使B8下被保护层充分卸压，采用了52210风巷沿空留巷段施工下向穿层钻孔技术［7］，实现了卸压瓦斯抽采最大化。

1 试验地点概况

新庄孜煤矿52210工作面标高－556m～－612m，走向长600m，倾斜长130m，倾角为22～26o，B10煤层为结构复杂的薄煤层，煤厚结构为0．2～0．4（0．2～0．7）0．6～1．2m，为非突出煤层，预计原始瓦斯含量7m3／t。平均厚度0．8m，与上覆B11b煤层间距28m，与下伏B8煤层间距40m，B11b煤和B8煤均为强突煤层。预计52210工作面绝对瓦斯涌出量为58．3m3／min。

52210工作面采用二进一回沿空留巷Y型通风方式。在瓦斯治理措施上，对上覆B11b煤层的卸压瓦斯采用倾向穿层钻孔拦截，对B8煤层采取下向钻孔抽采卸瓦斯措施，形成了立体式抽采模式。

2 下向钻孔施工技术

2．1 施工技术参数的确定

钻孔在沿空留巷内并滞后于工作面20～30m施工。工作面回采后，由于煤层顶底板发后变形产生裂隙，煤岩层含水量大大减少，钻孔施工时，孔内积水量有效减少。

为最大限度地抽采B8煤层的卸压瓦斯，在52210留巷段每隔15m布置一组下向穿层钻孔，每组3个孔，呈条带状布置，孔深均为穿过B8煤层并进入底板1m，孔底间距为15m，呈条带状布置，每组钻孔长度160m，下向穿层钻孔与其它钻孔共同覆盖B8煤层被保护范围，联合抽采卸压瓦斯，钻孔参数见表1。下向穿层钻孔布置示意图详见图1。

表1 52210风巷下向穿层钻孔施工参数表

图1 下向钻孔布置示意图

2．2 施工设备的选型

52210工作面开采后，B8受采动影响煤岩体发生变化，裂隙变大，坚固性大大降低，煤岩体变软，加上常用的风压较小，造成孔内排水、排渣困难，施工过程中垮孔严重，容易埋钻、夹钻甚至丢失钻头。本次施工选用KQJ120潜孔钻机，专门安装一台9～13Mpa移动式空气压缩机，封孔泵为ZBL－50／40－7．5KW漏斗式注浆泵。潜孔钻机是用高压风为动力，利用钻头的振动将岩石磨碎，并通过压风将粉尘排出钻孔，解决了孔内排渣和埋钻的难题，通过使用潜孔钻机配备大功率空气压缩机的施工工艺，每小班钻进由原来的15m提高到100m，钻进速度提高了6倍多，钻孔量的增加大幅度提高了B8煤层卸压瓦斯抽采量，并杜绝了工作面瓦斯超限的现象。

2．3 施工工艺

选用KQJ120潜孔钻机，首先使用153mm大直径复合片钻头自沿空留巷煤层底板向下形成扩孔段10m，在扩孔段中下内套管完成护孔，内套管的孔径102mm、内套管深度10m，在内套管的外壁与岩石之间注浆形成封孔段，然后再换90mm的钻头在内套管中进一步向下钻进直至孔底。

利用移动空气压缩机，增加风压，使用高压风施工和排渣，提高钻进速度。

封孔段要求密实不漏气，封孔段采用高压封孔泵注浆封孔。为了使内套管不受损且便与合茬，内套管的上端管口应适当高于下向穿层钻孔的孔口（具体见图2、图3）。

图2 沿空留巷下向穿层钻孔施工工艺图

图3 沿空留巷下向穿层钻孔孔口平面图

2．4 粉尘防治

配备空气压缩机施工下向钻孔，加快了钻孔施工进度，但是现场回风侧煤尘飞扬，粉尘浓度高，作业环境恶劣，使用孔口环形喷雾和多道全断面净化喷雾降尘效果较差，给生产组织带来极大的不便，严重危害了人身健康，并有可能引起煤尘爆炸，给矿井安全带来严重威胁。为消除安全隐患，发明并使用了孔内快速降尘器，首先采用Φ153mm钻头开孔深度1m以上，然后将孔内快速除尘器放入孔内并固定牢固，钻机正常进尺前，通过球阀配比好风、水流量，以除尘辅助管末端除尘孔喷出雾状喷雾为准，适当控制钻进速度，以钻孔返出的煤屑手捏成团为宜，如钻屑量大，应适当加大水量。

通过孔内快速降尘器的使用，钻孔内的高浓粉尘在钻孔内部得到降低和消除，经过测尘，52210后风巷正常粉尘浓度为4．3mg／m3，不使用除尘装置施工钻孔时，回风侧粉尘浓度为94mg／m3，使用孔内快速降尘器后再次测定回风侧粉尘浓度为10．3mg／m3，孔内除尘率高达93．3%，有效地降低和减少粉尘的危害，大大改善了现场作业环境，提高了钻孔施工效率，消除了重大安全隐患。

3 抽采效果

由于B8煤层距B10煤层层间距40m，风巷下向穿层钻孔是在采后留巷中施工，基本上抽采B8采动卸压瓦斯。图4显示了典型的下向穿层钻孔抽采瓦斯情况。从图4可以看出，单孔抽采瓦斯量基本在0．2m3／min，最大约0．45m3／min，钻孔稳定的高浓度瓦斯抽采时间约20～30d，抽采的煤层气浓度高达60～90%。工作面回采100m后，底部远程B8卸压煤层的抽采煤层气部量6～8m3／min。