高位裂隙钻孔在回采工作面瓦斯治理中的应用

（晋中市煤矿安全信息中心 山西 030600）

引言

据不完全统计，我国煤炭由井工开采的占97%左右，并且在煤炭开采强度、深度越来越大的背景下，煤炭生产过程中地质构造、瓦斯、水害、粉尘以及地温等因素的风险隐患也不断增高。尤其是瓦斯，对矿井、采煤工作面的瓦斯抽采问题备受行业内人士的关注。煤矿瓦斯是矿井下危险性极高的气体，主要特点就是易燃易爆炸，CH4是其重要组成部分，同时也是一种清洁高效的能源。因此，如何对煤矿井下瓦斯进行抽采并对其进行有效利用是一大难题。相关专家学者为此提出了多个办法，比如：增大风量将瓦斯浓度进行稀释、在工作面增打瓦斯释放孔、封堵进风隅角防止漏风等，但是发现高位裂隙钻孔抽取回采工作面的方式效果最为显著。因此，对该瓦斯治理方式进行研究具有重大现实意义。

1.高危裂隙钻孔抽采瓦斯机理概述

采空区上覆岩层在运动时，按照每个岩层运动性质的不同垂直方向，可将其分为三部分，即“三带”：垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带，水平方向则是具备三个区，分别是煤壁支撑影响区、离层区以及重新压实区。

随着采空区域“竖三带”的生成，上覆岩层中也会渐渐出现离层裂隙与竖向破断裂隙，垮落带随采随垮，有着极大的裂隙空间，位于裂隙带中的破断岩层块，排列十分整齐，碎胀系统极小，生成大批纷杂交错的裂隙，尤其是弯曲下沉带岩层最为密集。随着采空区“横三区”的生成，煤层上覆岩层通常会在煤壁前方30-40m左右的位置开始变形，而且水平移动也十分剧烈，然而垂直移动可以忽略不计。当回采完毕该区域之后，“竖三带”生成环节中垂直位移迅速增加，因为每个层位的位移速度存在差异，所以极易出现层间离层。

采空区“三带”所构建的空间与1个多孔介质空间类似，与空气相比，CH4密度较小，其会在裂隙带内成为高浓度的瓦斯，垮落带的瓦斯浓度相对较低。支撑影响区由于采动因素导致原始裂隙扩大，垂直裂隙不断增多，这为瓦斯垂直流动创造了条件；而离层区则是为瓦斯水平流动创造了条件[1]。所以，在裂隙生成密集的岩层层位并且可以抽采浓度较高的瓦斯，高位裂隙钻孔终孔落位决定在裂隙带内，因此，对采空区上覆岩石的变形破坏规律进行研究分析，明确采空区上覆岩石“三带”中垮落带的具体高度是运用高位裂隙钻孔抽放瓦斯的基本前提。

2.定向裂隙带长钻孔设计与施工流程

将煤矿使用双履带式全液压定向钻机的作用功能予以全面发挥，对岩层、煤层进行精准定位，保证钻孔轨迹与施工设计方案一致，实现预期抽放目标。通过定向裂隙带长钻孔抽采对采煤工作面回采期间的瓦斯进行治理。

(1)钻孔设计参数

①终孔距顶板高度

结合相关理论进行分析，高位钻孔具体位置可布设于裂隙带中，与采高相比，裂隙带是其高度的8-10倍左右，但是因为顶板岩性不一致，所以裂隙带的高度也大不相同。其中裂隙带高度应当根据煤场煤层厚度、岩层柱状图以及岩石成分性质予以确定，而高位裂隙钻孔终孔高度则需要结合现场施工情况以及抽采成效来确定。

②终孔距巷帮深度

根据巷道卸压圈范围是巷道宽度的3倍或4倍，可确定终孔与巷帮之间的最小值。通常情况下，高位裂隙钻孔终孔位置与回风巷的间距在工作面倾斜长度的1/3及以下，通过对钻机长度、巷道宽度以及施工现场的实际情况进行考虑，可将钻孔间距控制在8m左右，然后结合现场具体状况以及抽采成效，确定高位裂隙钻孔的终孔距巷帮最佳深度。

③钻场间距

结合煤层参数与现场施工环境，首先确定钻场数量以及钻场之间的距离，并参考该间距确定每个钻场的钻孔数量。因为回采工作面超前支护不得低于20m，所以每组钻孔搭接长度也要在20m及以上，确保高位裂隙钻孔的抽采成效达到预期。

(2)钻孔施工工序

笔者建议选择先定向、后扩孔的方案，主要是为了与采煤工作面定向长钻孔终孔直径设计孔深要求相符。

①开孔、下孔口套管、固管。在对孔口套管段进行施工时，可选择常规钻杆配套Φ120mm的四翼平底PDC定向钻头开孔[2]。钻场钻孔应当根据设计方位角、倾角予以操作，待其钻至10m距离之后停止钻孔，并将钻头取出，之后再安装常规钻杆配套Φ193mm的螺旋刀翼型PDC扩孔钻头进行扩孔操作，也是控制在10m左右，提钻之后，将长10m、直径Φ160mm的铁管孔口套管向下探入，该铁管孔口套管包括四个短节，其中每个短节2.5m，注浆固管套管的过程中，相关工作人员还需要对各个深度钻孔予以注浆加固。

②针对钻孔四周裂缝，通过注浆方式对其进行堵塞加固，等到水泥完全凝固且超过24小时之后再对定向裂隙带长钻孔予以施工。

③定向钻孔施工。应用中心通缆钻杆配有线随钻测量装置、孔底马达以及Φ120mm定向钻头配套复合定向钻进工艺技术，对定向裂隙长钻孔进行施工，直至与设计方案中的孔深相符，孔径可控制在120mm左右。

④全孔段扩孔钻进。选择常规钻杆配套Φ153mm的螺旋刀翼型PDC扩孔钻头，采取回转扩孔钻进技术对全孔段进行扩孔操作，将终孔直径控制在153mm左右。

⑤完成全孔段扩孔钻进环节后，即刻对4#、6#钻孔下筛管。选择常规送钻杆方式对配套Φ89mm的筛管进行全孔段下放。

⑥连接抽采管路。等到全部钻孔都完工之后，与抽采系统进行紧密连接，开展后续工作。

(3)封孔工艺

各个钻孔开孔、扩孔、下入孔口套管之后，可优先选择水泥砂浆封孔法，详细操作如下：

①在选择孔口时，可选取带法兰盘，直径160mm，长度6m，予以孔口固管，在该过程中，应当将注浆管与排气管同一时间封入孔内，方可上好套管法兰盘。

②封孔材料：购买专用的封孔管、封孔泵、注液管、排气管、封孔袋、速凝水泥，其中注液管与排气管的规格为Φ20mm。

③封孔工艺：一定要应用封孔泵进行动力封孔。将封孔袋缠绕于孔口套管的孔口部位，其宽度控制在0.5m及以上，外端封孔袋外侧与封孔管口部位相距0.5m，封孔管外露0.2m，注意，封孔袋需要用12#铁丝进行捆绑。

④以充分满足各个钻孔封孔设计深度需求为前提，选择长度合适的注液管与排气管，规格皆为Φ20mm，与孔口套管同时封进钻孔开孔段，Φ20mm管裸露在外不得超过100mm。

⑤压注水泥量：速凝水泥和水的比例是2:1。

⑥封孔完工之后，凝固时间不得少于24h。

⑦封孔要求：A.一定要选择带压封孔方式，封孔压力至少为4MPa；B.若是孔口四周有渗液出现，那么一定要及时对孔口套管进行二次加固，即注浆；C.应用间歇性多次注浆方式对裂隙进行全方位的填充，遵循先使用稀浆，后使用稠浆的方式实时带压注浆，确保钻孔四周的密实性。

3.高位裂隙钻孔在回采工作面瓦斯治理中的实例应用分析

潞安集团慈林山煤业有限公司李村煤矿1301工作面属于井田一采区，其应用了综合机械化后退式回采工艺，全部垮落法处理顶板，选择的是“U”行风方式，配风量是2871m3/min。按照煤炭科学总院制定的瓦斯预测对1301工作面的瓦斯量进行了检测，其中最大瓦斯含量是11.95m3/t。相关管理负责人为了降低顶板裂隙瓦斯涌出量，决定对高位裂隙钻孔技术进行应用。首先是布置钻场，高位钻场布置在1301回风顺层侧煤壁处，钻场长、深、高分别为：4.5m、4.0m、2.5m，一共设置了6个高位钻场，间距为50m[3]。其次是钻孔，在钻场煤壁位置设置一排高位裂隙钻孔，分别是1#、2#、3#、4#，钻孔施工在钻场煤壁位置，与顶板相距1m，钻孔间距也是1m，孔洞直径为85mm，边孔距帮距是0.5m。然后是扩孔，对钻好的孔洞进行扩孔操作，扩孔深度是11m，直径是110mm，扩孔完成后，将4根PE瓦斯抽放管安装在钻孔内，相邻两根选择丝扣方式进行连接。之后将16mm注浆软管埋设在管和孔壁之间，埋管长度是6m，注浆软管埋入之后分别在扩孔段底部和孔口处选择膨胀水泥予以封堵，封堵长度是0.5m。最后将灌浆泵和注浆软管进行连接，灌注水泥石膏浆。

应用完高位裂隙钻孔技术之后，1301工作面机道处平均瓦斯浓度不足0.8%，上隅角平局瓦斯浓度不足0.5%，顶板裂隙瓦斯含量减少到7%以下，采空区内瓦斯浓度减少到3%以下，且工作面没有发生瓦斯超限短电问题，这为工作面回采工作的安全性、高效性提供了良好保障。

4.结束语

应用高位裂隙钻孔技术对回采工作面高浓度瓦斯进行治理，首先要结合煤层厚度、采面开采情况设置钻场和钻孔分布，其次是要做好扩孔、封孔工作，大量实践证明，该方式能够减小瓦斯体积分数，提升瓦斯抽采效果，对瓦斯治理效果显著。