下向钻孔堵水工艺及瓦斯抽采技术研究

王栓林 赵 晶

(1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市,710054；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

钻孔抽采瓦斯作为主要技术手段广泛地应用于矿井瓦斯治理当中，根据采煤工作面开采过程中不同的瓦斯来源，分别进行本煤层、上邻近层、下邻近层抽采，对应不同的钻孔施工方式，主要包括本煤层钻孔、顶板高位钻孔和底板下向钻孔。其中下邻近层下向钻孔瓦斯抽采由于排渣排水困难、孔内易积水等问题，严重影响抽采效果。

学者们在下向钻孔煤层瓦斯压力测定方面开展了大量的研究和实践，赵晶通过“两堵一注”水泥砂浆封孔技术使下向涌水钻孔形成位于裂隙含水层以外的测压气室，较好地封堵裂隙含水层，结合测压钻孔周围瓦斯压力和水压力曲线分布，消除其对瓦斯压力测定的影响；许彦鹏等采用双套管带压注浆封孔方法进行封孔测压，较好地封堵了含水层裂隙、支固松软围岩，隔绝了钻孔测压气室与含水层裂隙的连通，成功实现堵水测压。

另外，下向钻孔瓦斯抽采技术也有较多应用。皮希宇利用底板下向钻孔对构造带进行瓦斯抽采；方有向等通过在被保护层工作面底板抽采巷道内施工下向钻孔来抽采保护层瓦斯；刘震等通过水力冲煤及低压注水湿润软化煤体来降低煤层地应力、瓦斯压力，研发了突出煤层群顶板岩巷下向穿层钻孔综合水力化防突技术；单佳勇在深井强突出煤层的顶板巷施工下向穿层钻孔进行瓦斯预抽；石必明等基于封堵压气排水原理，提出封堵注浆、护孔、“两堵一注”封孔方式及排水技术，实现下向钻孔的高效抽采；童碧针对常规下向穿层钻孔松软煤层卸压、增透和抽采效果差的问题，研究了下向钻孔水力割缝施工流程、工艺和下向钻孔“分组分排吹”的排水排渣工艺。

朱家店煤矿4#煤层在开采过程中有大量瓦斯从下邻近层溢出到工作面，需要采用下向钻孔抽采；同时，下邻近层中还存在承压含水层的问题。因此，本文主要研究下向瓦斯抽采钻孔遭遇承压含水层后发生突水后的应急堵水工艺技术，提出有效的预防措施和方法，并对下向钻孔抽采效果进行分析。

1 矿井概况

1.1 矿井煤层及生产概况

朱家店煤矿位于山西省吕梁市中阳县金罗镇，井田面积17.152 km2，矿井批准开采3#～10#煤层，设计生产能力为120万t/a，服务年限为73 a，属高瓦斯矿井，主要可采煤层为4#、5上#、6#、9#、10#煤层。

4#煤层位于山西组中下部，上距K4标志层约45 m左右，厚度0～2.28 m，平均厚度1.1 m，倾角2°～7°，结构简单，一般不含夹矸，属全区较稳定大部可采煤层，局部尖灭而缺失。5上#煤层位于山西组下部，上距4#煤层约15 m，厚度0～1.70 m，平均厚度0.93 m，结构简单，为全区大部分可采的稳定煤层。6#煤层位于L5石灰岩之下，太原组上部，与L5之间发育一层薄泥岩，有时L5为煤层的直接顶板，上距5上#煤层约15 m左右，厚度0～1.76 m，平均厚度1.34 m。

目前朱家店煤矿主采4#煤层，煤层瓦斯含量4.6～11.4 m3/t，百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数0.0968 d-1，原始煤层透气性系数0.2382 m2/(MPa2·d)，属低透气性煤层。煤层自然倾向性为II级，属自燃煤层，煤层具有爆炸性。矿井地质类型为简单一类，水文地质类型为中等。

0401综采工作面为4#煤层南翼一采区首采工作面，底板标高+620～+760 m，煤层埋深540～300 m，工作面走向长度120 m，倾向长度1050 m，工作面采用倾斜长壁后退式采煤法、综合机械化采煤，一次性采全高，全部垮落法管理顶板。

1.2 矿井带压开采情况

带水压开采主要指采掘工程位于煤层底板含水层的承压水位以下的一种作业状态，处于奥灰承压水位以下的煤层开采属于带压开采，当奥灰含水层受大气降水补给明显时，带压区的范围会发生一定的变化。

矿井井田内奥灰水水位标高805.50～808.00 m，4#煤层底板标高在560～920 m之间，主采4#煤层底板标高在808 m以上的为不带压区，底板标高在808 m以下的为带压区，分析可知0401综采工作面属于带压开采。

2 下向钻孔抽采方案

4#煤层回采时邻近层瓦斯涌出量占整个回采瓦斯涌出的比例较大，并且在回采过程中，大量瓦斯涌出到工作面，严重影响0401工作面的安全回采，有必要对下邻近层瓦斯进行抽采。设计沿0401材料巷右帮向下施工ø94 mm的穿层钻孔，终孔位置设计位于4#煤层底板以下10 m，钻孔布置及设计参数如图1所示。

图1 下向钻孔布置

3 下向钻孔堵水工艺及抽采效果

在施工过程中，受地层厚度变化、L5石灰岩隔水层变化、采动裂隙发育、钻孔施工参数定位精度、钻机钻杆自重挠度等因素影响，在施工216号下向钻孔过程中出现钻孔涌水现象，孔口水柱喷射水平距离为3.6 m，高度3.0 m，水柱可以喷到对侧巷帮。

3.1 下向钻孔堵水工艺

钻孔涌水出现后，施工人员迅速停止钻进，停钻后，连续三班观察水量和水压衰减情况，待水量和水压降低到孔口后，退钻杆，并用事先准备的材料进行封堵。下向钻孔堵水情况如图2所示。具体步骤如下：

图2 下向钻孔堵水示意

(1)将干海带缠绕在一端焊接有ø80 mm圆盘，另一端有法兰、长度3 m的ø50 mm铁管上，并用12号铁丝捆绑固定。

(2)将ø50 mm铁管送入涌水孔内。

(3)干海带遇水后膨胀，待水逐渐从ø50 mm铁管管口涌出，同时将水泥和以3∶1的水灰比速凝剂参量8%灌入孔内，孔口灌满后停止灌浆。

(4)水泥凝固24 h以后，孔口用干水泥和速凝剂封口。

(5)孔口凝固好后，ø50 mm铁管通过法兰连接一个打开的DN50闸阀，带螺丝紧固之后，关闭DN50闸阀，完成下向钻孔封堵。

216号下向钻孔封堵后对其进行观测，回采期间未出现渗水、漏水现象。

3.2 下向钻孔抽采效果分析

对0401综采工作面瓦斯涌出构成进行分析，表明下向钻孔抽采量占到整个工作面瓦斯涌出量的4.88%，具体情况见表1。

对朱家店煤矿0401综采工作面1#～80#支架每隔5架检查溜槽底、支架后和支架顶3个位置的瓦斯，随着回采工作面的推进，溜槽底部瓦斯分布情况见图3。施工底板下向钻孔抽采以来，0401回采工作面底板瓦斯浓度2%以上的大幅减少，无瓦斯浓度4%以上出现，瓦斯超限次数也大幅下降。

表1 0401工作面瓦斯涌出构成分析表

图3 回采期间0401工作面底板瓦斯浓度分布

4 结论

(1)下向钻孔抽采可以有效降低近距离煤层群开采过程中下邻近层的瓦斯涌出，但在带压开采煤层中要谨慎采用，避免出现抽采钻孔涌水危险，威胁工作面回采。

(2)下向抽采钻孔存在涌水危险的位置，要提前制定专项安全技术措施，备好相关封堵材料，采用简单易行的封堵工艺，并及时观察钻孔封堵后的渗漏情况。

(3)为防止下向钻孔穿透或导通带压含水层，应做好地质分析，明确含水层的准确位置，需留足隔水层厚度。

(4)强化下向钻孔施工工艺，采用钻孔窥视等先进设备和仪器跟踪测定钻孔施工轨迹，实现钻孔的精确施工。