掏穴扩孔技术在低透气性松软煤层中的应用

戎冬冬

(潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

余吾煤业公司是潞安集团的一座大型现代化矿井，核定生产能力750万t/a，主采3号煤层，煤层平均厚度6 m，为高瓦斯矿井，煤层透气性系数0.146 0～1.093 8 m2/(MPa2·d)，煤体坚固性系数为0.35～0.56，属于松软、低透气性煤层。为解决煤巷掘进过程中瓦斯浓度高影响掘进正规循环难题，在N2203工作面布置底板岩巷，按照组间距5 m、每组施工9个钻孔对N2203胶带巷煤体进行预抽。N2203底抽巷单孔抽采瓦斯浓度65%、纯量0.02 m3/min，为进一步提高穿层钻孔抽采效率，快速降低煤体瓦斯含量，在N2203底抽巷穿层钻孔中进行掏穴扩孔技术试验[1]。

1 技术原理

掏穴扩孔技术是在普通穿层钻孔的基础上对钻孔实施掏穴工艺，使用普通钻具成孔后，更换为掏穴钻头送入煤孔段进行扩孔，在静压水压力达到0.3 MPa时，打开单翼刮刀(见图1)，从而扩大钻孔煤孔段的直径，增大周围煤体裂隙，释放煤体应力，提高煤层透气性，促使大量瓦斯进行解析，从而增强钻孔瓦斯抽放效果[1]。

图1 单翼掏穴扩孔钻头示意

余吾煤业穿层钻孔施工过程为水力钻进，孔底静压水压力为0.4～0.5 MPa，施工时使用D94 mm复合钻头钻进，采用西安煤科院研发的单翼掏穴钻头进行扩孔，在静压水压力下自动打开刮刀，扩孔直径可达200 mm。

2 施工工艺

1) 使用D94 mm复合片钻头配合光面钻杆钻进，钻进至煤层顶板0.5 m停钻，并用静压水将孔内煤渣冲洗干净，即返水接近于透明时，方可开始退钻。

2) 退出普通钻头、钻杆后，在孔外试验掏穴钻头单翼刮刀是否能够正常打开，正常后换用掏穴钻头后接光面钻杆顺时针旋转送至煤岩分界处，调整钻机马达转速，开始扩孔。

3) 掏穴钻头扩孔期间，必须轻压慢转钻进，确保煤屑充分排至孔外，防止憋孔造成瓦斯超限。当通过计算钻杆数量到达煤层顶板后，要时刻关注钻孔返渣返水情况，控制好推进压力，保持孔内水量，待孔内煤屑排净即可退钻。

4) 退钻时关闭静压水，缓慢退出钻具，单翼刮刀会在岩孔段退钻杆过程中收缩至钻头内部。退钻完毕后，检查单翼掏穴钻头是否能够正常打开，并做好记录，为下一个钻孔提供便利条件。

3 试验概况

N2203底抽巷穿层钻孔9个钻孔为一组控制一组煤体，控制范围为被掩护巷道两侧轮廓线外17 m范围，在控制范围内按照5.0 m×5.0 m的网格均匀布置。每组钻孔在同一断面内施工，施工组间距为5.0 m，控制前后2.5 m范围内煤体，每个钻孔在3号煤层顶板处间距为5.0 m，形成5.0 m×5.0 m的网格，钻孔穿过3号煤层顶板0.5 m方可终孔[2]。

N2203底抽巷使用ZLJ4000钻机、光面钻杆、D94 mm钻头施工穿层钻孔，采用布囊配合微膨胀水泥浆液进行封孔，共布置1组掏穴钻孔、1组普通穿层钻孔进行考察，每组布置9个钻孔，共计18个钻孔。其中掏穴钻孔组为第1组(1-1号～1-9号)(见图2、图3)，普通钻孔组为第2组(2-1号～2-9号)。掏穴钻孔平均深度为21.9 m，普通钻孔平均深度为22.7 m，煤孔、岩孔深度分别为8.1～9.1 m、13.2～13.3 m(见表1)，掏穴钻孔出煤量为44～50 kg/m。

图2 N2203底抽巷掏穴钻孔与普通钻孔平面布置

图3 N2203底抽巷穿层钻孔剖面(m)

4 效果分析

4.1 单孔抽采参数

为对比掏穴钻孔与普通钻孔抽采效率，在1-2组1-1号、2-1号钻孔上分别安装单孔流量计，同时每组钻孔安装一个4寸孔板流量计，每3天观测一次抽采浓度、抽采纯量。通过连续观测试验钻孔单孔数据，整理出单孔抽采浓度最大值与平均值，如图4、图5所示。

表1N2203底抽巷穿层钻孔成孔情况m

组号钻孔编号1号2号3号4号5号6号7号8号9号煤孔平均深度岩孔平均深度第1组17.017.018.018.520.021.524.028.532.58.113.3第2组15.516.016.017.521.525.027.030.036.09.113.2

1) 抽采浓度：第1组、第2组钻孔中最大浓度分别为92.8%、91.6%，平均浓度分别为80.4%、79.8%，即掏穴钻孔与普通钻孔抽采浓度基本一致。

2) 抽采纯量：第1组、第2组钻孔中最大抽采纯量分别为0.06 m3/min、0.043 m3/min，掏穴钻孔为普通钻孔的1.4倍；第1组、第2组钻孔中平均抽采纯量分别为0.053 m3/min、0.034 m3/min，掏穴钻孔为普通钻孔的1.56倍。即掏穴钻孔抽采纯量远大于普通钻孔，说明掏穴钻孔孔径变大，暴露的煤壁面积增大，增大周围煤体裂隙，大量瓦斯进行解析，从而增加了钻孔抽采纯量。

4.2 单组抽采参数

通过在第1组和第2组安装4寸孔板流量计，并每3天进行一次数据观测，得出掏穴钻孔组与普通钻孔组抽采浓度、抽采纯量变化曲线，如图6所示。

图4 单孔抽采浓度对比

图5 单孔抽采纯量对比

由图6可知： ①随着抽采时间的增加，第1组、第2组钻孔抽采浓度基本保持不变，且二者基本一致，均在80%以上； ②第1组钻孔最大、平均抽采纯量分别为0.6 m3/min、0.531 m3/min，第2组分别为0.45 m3/min、0.33 m3/min，第1组为第2组的1.33倍、1.61倍；③随着钻孔连续带抽，第1组、第2组钻孔抽采纯量均出现不同程度下降，随后保持稳定，其中第1组钻孔抽采至第24 d后，稳定在约0.45 m3/min，第2组钻孔在抽采至15 d后稳定约在0.28 m3/min，掏穴钻孔流量衰减时间多于普通钻孔，说明钻孔经过掏穴后，孔内煤体充分卸压，提高了煤层的透气性，大量煤体瓦斯解析。

图6 掏穴钻孔组与普通钻孔组抽采参数变化趋势

5 结 语

余吾煤业通过在N2203底抽巷穿层钻孔中进行掏穴扩孔试验，通过分析对比掏穴钻孔和普通穿层钻孔，二者抽采浓度基本一致，掏穴钻孔抽采流量明显增加，流量衰减时间明显增多，抽采效果明显增强。