三软低透煤层回采工作面快速消突技术

刘瑞杰 李志强 董少科

（安阳大众煤业有限责任公司，河南 安阳 455141）

1 工程概况

大众煤矿开采二叠纪山西组二1煤层，煤层平均厚度4.3m，煤层的坚固性系数f为0.26～0.45，属于典型的三软低透突出煤层。13051工作面煤炭储量为47万t，该区域二1煤层原始瓦斯含量在5.9158～7.8180m3/t之间，瓦斯储量为367.45万m3，抽放率按40%计算，需抽出瓦斯量不小于146.98万m3。

根据矿井生产能力要求、煤层赋存条件和工作面巷道布置及煤层瓦斯赋存和涌出特点等情况，决定13051工作面瓦斯抽采工艺为：

（1）在工作面的上下底板抽放巷布置穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯。

（2）在工作面的上下顺槽布置顺层孔进行采前预抽。

大众煤矿工作面以往的瓦斯抽采经验表明：由于二1煤层煤质软且层理裂隙较发育，工作面抽采钻孔变形破坏严重，抽采效果不好，需增加抽采时间才能保障抽采达标。因此，需对13051工作面顺层钻孔预抽瓦斯的抽采方案和钻孔布置方式进行优化设计，以提高工作面瓦斯抽采效果。

2 瓦斯抽采半径测定

有效抽采半径指抽采钻孔在一定的抽采负压条件下抽采某个时间时，达到消突效果或抽采达标区域的半径长度[1-3]。从煤矿安全管理角度来讲，抽采有效半径数值对安全生产、钻孔布置等更具实际操作意义。为了提高抽采效率，需要对13051工作面的瓦斯抽采有效半径进行测定，为工作面瓦斯抽采设计提供可靠依据，避免盲目布置抽采钻孔浪费大量人力、物力和增加无谓的工程量。

在13051下顺槽辅助巷施工顺层钻孔抽采煤层瓦斯的同时，考察抽采钻孔的抽采半径。由于瓦斯抽采钻孔在抽采时，各钻孔之间的瓦斯流场为有限源瓦斯流场，随着时间的推移，钻孔之间会相互影响，因此，为了真实地模拟钻孔相互影响下的抽采规律，在试验区域布置4组钻孔，组间距为30m，每组施工5个钻孔。根据矿方以往的抽采钻孔间距设计经验，确定此次考察钻孔布置抽采半径分别为2.5m、3m、3.5m、4m，即孔间距分别为5m、6m、7m、8m，试验钻孔长度均为60m，钻孔直径为Φ75mm，开孔高度为1.5m，钻孔倾角与煤层倾角一致，保证上向或水平孔。顺层抽采钻孔的布置如图1所示。

图1 抽采半径顺层考察试验钻孔布置示意图

抽采钻孔施工完毕后进行封孔，封孔材料为“两堵一注”囊袋式带压封孔，封孔深度不小于8m，抽采管采用D50mm的PVC管。封孔后将每组钻孔串接到汇流管并加装孔板流量计，之后连接到抽采主管路上，利用CJZ70型瓦斯综合参数测定仪测定并记录钻孔组的瓦斯抽采参数，包括抽采负压、压差、浓度、温度、流量等，进而计算百米单孔纯量数据。前期15d每1d记录单孔抽采参数，中期60d每3d记录一次，后期30d每5d记录一次。观测时间为90d左右。

为了得到不同抽采半径钻孔组真实的抽采规律，求取每组5个钻孔的单孔抽采纯量的平均值，并换算成百米钻孔抽采纯量，进而将百米钻孔瓦斯抽采纯量与时间的关系拟合成曲线。抽采半径为2.5m、3m、3.5m、4m的钻孔组抽采钻孔纯量与时间的函数关系如下，曲线图如图2所示。

（1）抽采半径为2.5m时百米单孔抽采纯量与时间函数关系为：

qct=0.0965e-0.021t，R2=0.9842

（2）抽采半径为3m时百米单孔抽采纯量与时间函数关系为：

qct=0.0968e-0.020t，R2=0.9736

（3）抽采半径为3.5m时百米单孔抽采纯量与时间函数关系为：

qct=0.0971e-0.019t，R2=0.9467

（4）抽采半径为4m时百米单孔抽采纯量与时间函数关系为：

qct=0.0973e-0.018t，R2=0.9290

图2 百米瓦斯流量衰减趋势图

按照上述分析，本着既要减少钻孔工程量又要保证抽放效果的原则，工作面抽采时间为30d时，合理有效的抽采半径为2.5m；工作面抽采时间为45d时，合理有效的抽采半径为3.0m；工作面抽采时间为60d时，合理有效的抽采半径为3.5m；工作面抽采时间为90d时，合理有效的抽采半径为4.0m。

3 顺层钻孔防突设计方案

3.1 顺层孔参数设计

13051工作面上、下巷掘进同时，向工作面施工顺层钻孔对煤体瓦斯进行预抽。根据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》确定顺层钻孔水平长度应不小于工作面倾向长度1/2[4]，并至少保证上、下顺槽钻孔交叉不得小于10m，确定工作面上顺槽钻孔孔深为80～110m，下顺槽钻孔孔深为90～110m；工作面上顺槽、下顺槽钻孔间距设计均为2.4m；开孔位置距离上、下顺槽底板约1.6～2.5m；施工钻孔孔径为75/94mm；设计钻孔560个（13051工作面上部的13031工作面下顺槽掘进期间已经施工顺层钻孔对距离该顺槽下帮80～110m范围内的煤体进行预抽，即13051工作面上顺槽预抽范围，因此，此次钻孔数量只包括13051工作面下顺槽上帮施工钻孔）。13051下顺槽所施工的所有顺层钻孔保证与13031下顺槽下帮所施工的顺层钻孔压茬不小于10m。

3.2 顺层钻孔全长筛管封孔技术

3.2.1 钻孔初封工艺

（1）钻孔初封材料选择

选用Φ50mmPVC管14m，专用封孔器1套（两个封孔器、两袋聚氨酯封孔剂、一卷纸胶带）、注浆管（上行钻孔选用8m，下行钻孔选用2m）、排气管（上行钻孔选用12m，下行钻孔选用2m）。封孔工艺示意图如下图4所示。

图3 13051工作面顺层钻孔布置图

图4 全长套管瓦斯抽采封孔工艺

（2）钻孔初封流程

①封孔器分别安设在封孔管2.5m及12m位置上，封孔器与封孔管结合处两端用纸胶布缠绕（6～8圈）固定。②上行钻孔选用排气管长度12m、注浆管长度8m（排气管、注浆管连接可采用专用接头或者胶带连接固定），在安设第二套封孔器时通过封孔器上预留孔穿入到钻孔内。排气管、注浆管穿入钻孔后需在注浆管和排气管与封孔管结合缠绕6～8圈，确保注浆管和排气管结合处不漏气，然后将封孔管和注浆管、排气管使用纸胶布每间隔2m与封孔管缠绕固定一次。③下行钻孔选用排气管长度2m、注浆管长度2m（排气管、注浆管连接可采用专用接头或者胶带连接固定），在安设第二套封孔器时通过封孔器上预留孔穿入到钻孔内。排气管、注浆管穿入钻孔后需在注浆管和排气管与封孔管结合缠绕6～8圈，确保注浆管和排气管结合处不漏气。

3.2.2 二次注浆封孔工艺

（1）钻孔注浆封孔材料选择

选用膨胀水泥1～2袋、搅拌桶1个、2ZBQ-30/3(QZB～50/6)气动注浆泵1台。

（2）钻孔注浆封孔操作程序

①先在搅拌桶内将膨胀水泥和水按重量比1:1.5的比例调配好，以备注浆使用；②将注浆泵水平放置，并将其固定在便于封孔作业的适当位置，合理布置（平铺）吸排浆管路，避免管路扭曲、打折、交叉等；③打开风源控制阀门，把封孔浆液注入到钻孔内，直至注浆排气管出浆方可停止注浆作业；④注浆完成后，要让注浆泵吸入清水将泵内残余的浆液清理干净；⑤待封孔材料凝固4h后联抽。

3.2.3 钻孔连接标准

将钻孔内Φ50mmPVC管通过抗静电管相连接接入临近的钻孔组内，每10个钻孔为一组。钻孔连接时要将露出岩壁多余的封孔管截断，保证三通、球阀、弯头总长不超过550mm。各硬质管件连接必须完全对接，对接长度不小于50mm，钢丝软管与硬质材料连接时至少搭接60mm，并用喉箍上紧固定，喉箍位于硬质材料插入钢丝软管50mm处，并在钻孔上安设一个测压嘴。

3.3 抽采管路系统布置

13051下顺槽顺层孔连在一趟Φ250mm的瓦斯抽采管路上，管路安装路径为：13031下顺槽Φ250mm瓦斯抽采管→13采区回风巷Φ355mm瓦斯抽采管→西风井南翼回风巷Φ355mm瓦斯抽采管→西风井回风巷Φ355mm瓦斯抽采管→地面瓦斯抽采站。

3.4 抽采效果分析

由于13051工作面顺层长钻孔中实施了下筛管的措施，有效控制了钻孔塌孔堵塞抽采通道的问题。与没有下套管的13011工作面的瓦斯抽采指标对比，钻孔瓦斯抽采浓度、流量增大、流量衰减减缓。13051抽采达标时间约为3个月，残余瓦斯含量达到4.69m³/t，抽采达标时间比13011工作面减少了约40d，保证了13051工作面的瓦斯抽采达标。

4 结 论

大众煤矿开采的二1煤层属三软低透突出煤层，由于煤层煤质软，顺层长钻孔易塌孔造成回采工作面煤层瓦斯抽采效果不佳。在13051采煤工作面顺层长钻孔采用“全钻孔套管瓦斯抽采技术”，解决了三软煤层顺层大孔径长钻孔易塌孔、抽放效果差的问题。本煤层钻孔成孔后，采用封孔管+封孔筛管+注浆管+专用封孔器进行封孔，为了防止钻孔塌孔，筛管直至穿入孔底。该措施确保了抽采达标，并且抽采时间比没有下套管预计抽采达标时间大幅度减少。