千米钻孔水锁现象效果影响及处理技术研究

2022-05-14马金魁许江涛

机械管理开发 2022年3期

李鹏，马金魁，许江涛

（1.山西阳泉上社二景煤炭有限责任公司，山西阳泉 045000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

引言

晋城矿区千米钻机应用较为成熟，千米定向钻孔抽采已成为多数矿井瓦斯抽采的主要方法之一[1-2]。2019 年出版的《防治煤与瓦斯突出细则》中明确规定了将千米定向钻孔预抽采作为区域防突措施，由此可以看出，千米钻孔抽采具有优越的抽采效果和经济性能[3-5]。千米钻机进行定向区域抽采，通过施工条带和模块钻孔，在能够掌握多种定向施工的经验和技术工艺的基础上，探清工作面前方煤层的构造特征，实现工作面超前预抽并实现抽采达标，是千米钻孔抽采主要的应用成果[6-7]。

千米钻孔在施工过程中，当煤层顶底板变化较大时，钻孔在煤层顶底板变化区域内存有积水，因钻孔施工距离长，孔口负压未能将孔内积水全部抽出，造成钻孔末端积存大量的瓦斯，此现象称为水锁现象[8]。巷道在掘进过程中，掘进至巷道低洼处水锁现象区域时，一旦揭露千米钻孔，造成钻孔出水，积存的瓦斯会瞬间涌出，造成工作面发生瓦斯超限事故，严重影响了巷道的正常掘进，给煤矿安全生产带来了隐患。

1 千米钻机施工存在的问题

成庄矿自2007 年开始使用千米钻机进行定向区域抽采，通过施工条带和模块钻孔，掌握了多种定向施工的经验和技术工艺，主要目的是已治理煤层瓦斯及探清煤层构造为主，实现抽采达标。但在施工过程中受煤层顶底板变化较大时，钻孔在煤层顶底板变化区域内存有积水，因钻孔施工距离长，孔口负压未能将孔内积水全部抽出，造成钻孔末端积存大量的瓦斯，此现象称为水锁现象。巷道在掘进过程中，掘进至巷道低洼处水锁现象区域时，一旦揭露千米钻孔，造成钻孔出水，积存的瓦斯会瞬间涌出，造成工作面发生瓦斯超限事。严重影响了的巷道的正常掘进，给煤矿安全生产带来了隐患。

通过优化千米钻孔设计，改进千米钻孔施工工艺，解决因水锁现象早成的瓦斯积聚、抽放效果不好的现象，保证队组掘进、回采的安全。

2 水锁现象的改进方案及处理方法

2.1 改进方案

通过优化千米钻孔设计，改进千米钻孔施工工艺，在钻孔施工结束后，针对煤层顶底板变化较大易造成水锁现象区段，通过在该钻孔周围施工一个轨迹较平缓的钻孔（通过穿顶板或底板施工）与该钻孔内各存水区段打穿，保证钻孔内瓦斯能抽出。采用该方式对易造成水锁现象的区段进行瓦斯抽放。提高钻孔施工覆盖区瓦斯抽采的效果，消除钻孔覆盖区段瓦斯积存的情况，保证掘进队组安全掘进。具体有两种实施方案：

方案一：调整钻孔施工轨迹，通过穿顶板或穿底板施工的方式，使钻孔施工轨迹平缓，与其他钻孔存在的水锁现象区域打通，保证钻孔内不出现瓦斯积存的现象，提高钻孔覆盖区域的抽放效果。

方案二：在施工下行钻孔时，孔底区域属于水锁现象区域，通过调整钻机施工地点，将钻机调整为施工上行钻孔并与下行钻孔末端打通，通过施工的上行钻孔将下行钻孔内的积水排除，保证了钻孔的抽放效果，降低了回采工作面千米钻孔区域的瓦斯超限的几率，提高了采煤队组的生产效率。

2.2 处理效果

通过制订的方案，在4106 巷同一施工地点开展了调整钻孔轨迹和调整钻机施工地点的方法，对比考察其方案的可行性。

方案实施前的千米定向钻孔水锁现象如图1 所示；方案实施后的如图2 所示。

图1 方案实施前的千米定向钻孔水锁现象

通过图1 和图2 的定向钻孔轨迹可以看出，钻孔在80～100 m 位置处极易出现钻孔塌陷导致的水锁现象，在后续钻孔的施工过程中，积水严重并呈现较大水窝，既影响钻孔施工效率，又影响抽采效果。通过调整钻孔的轨迹设置，在极易造成水锁的位置采用挑顶或卧底施工，避开极易塌孔的煤体部位，避免钻孔全长范围内积水。

图2 方案实施后的千米定向钻孔水锁现象

3 解决的关键问题及推广应用

3.1 关键问题

解决了因水锁现象导致的瓦斯超限事故，提高钻孔覆盖区域的抽放效果；减少了掘进时施工探测孔的数量，降低了工作量，大大提高了掘进效率；保证了钻孔的抽放效果，降低了回采工作面千米钻孔区域的瓦斯超限的几率，提高了采煤队组的生产效率。

通过优化千米钻孔设计，改进千米钻孔施工工艺，在钻孔施工结束后，针对煤层顶底板变化较大易造成水锁现象区段，通过在该钻孔周围施工一个轨迹较平缓的钻孔，与其他钻孔存在的水锁现象区域打通，保证钻孔内不出现瓦斯积存的现象，提高钻孔覆盖区域的抽放效果。

3.2 推广应用

通过优化千米钻孔设计，改进千米钻孔施工工艺。首先，杜绝了巷道掘进时因揭露千米钻孔导致的瓦斯超限事故，有效提高了千米钻孔的覆盖区域的抽放效果。其次，减少了掘进时施工探测孔的数量，降低了工人的工作量，提高了掘进效率。最后，保证了钻孔的抽放效果，降低了回采工作面千米钻孔区域的瓦斯超限的概率，提高了采煤队组的生产效率。具有良好的扩展性和推广价值，可以在晋煤集团其他主要大型矿井推广应用。