顺层低浓度钻孔二次处理技术研究

李 鹏

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

1 现场概况

岳城煤矿为晋煤集团沁秀公司下属高瓦斯矿井，目前主采3#煤层。矿井现有通风方式为分区通风式，总进风量为20522m3/min，总回风量为20716m3/min，矿井配风量合理，能够满足安全生产需要。1309（上）工作面为该矿东翼第九个工作面，其中13091巷和13093巷进风，13092巷和13094巷回风，整个工作面区域配风量2560m3/min，满足安全生产需求。

1309（上）工作面的瓦斯治理采用千米区域递进式钻孔超前抽放，煤质疏松且有软分层分布的区域采用本煤层顺层钻孔抽放进行瓦斯治理。钻孔布置为：每组间距为6m，单组18个钻孔，双组16个钻孔，每组钻孔分两列布置，列间距3.0m，如图1。

3#煤层赋存不均衡，部分区域存在煤质疏松且有软分层分布的情况，钻孔封孔后经常发生塌孔，导致浓度迅速衰减。同时由于塌孔原因，“两堵一注”封孔工艺里侧封堵不严，一旦注浆反而会堵塞钻孔[1]。因此，需要对顺层低浓度钻孔进行诊断分析，找出顺层孔塌孔、低浓度的原因，制定并完善低浓度顺层孔下筛管护孔的二次处理工艺，并对护孔后的钻孔进行后期维护，最大限度地提高顺层孔瓦斯抽采效率。

图1 1308工作面钻孔布置图

2 存在问题

（1）在13081巷顺层钻孔试验下32mm筛管，经过捅孔和揭露后发现筛管内全部被煤粉堵死，说明32mm筛管管径太小、煤粉太细易堵塞等无法满足瓦斯抽采需求。

（2）在13082巷顺槽试验螺旋钻杆机械排渣工艺，因为该螺旋钻杆接口处易断开造成掉钻事故，同时打钻效率太低，因此无法满足顺层钻孔长期施工的需求。

（3）目前“两堵一注”封孔工艺（封孔段为6～10m）容易引起塌孔，无法有效实现孔深处护孔、护管下进和封堵严密，一旦注浆极易堵塞钻孔，造成钻孔浓度迅速下降。

3 研究内容

本研究主要对1个月内抽采能力降至30%以下的低浓度钻孔进行诊断分析，找出顺层孔低浓度的原因；通过数值模拟，结合现场数据，制定并完善顺层孔下筛管护孔工艺，并在1309（上）采面顺槽巷道进行抽采钻孔护孔及二次处理试验，通过试验数据研究抽采钻孔护孔及二次处理试验的效果。

4 研究方案

4.1 钻孔护孔试验

由于大多数顺层孔仅在局部构造破坏区段塌孔，因此，需要找出塌孔范围，仅在塌孔区段进行护孔[2]。同时，由于钻孔内煤粉在负压作用下进入护孔管，钻孔内护孔管抽采一段时间后，护孔管容易被煤粉堵死，大大降低了护孔效果。因此，需要对现有的护孔管护孔方式进行改进。

（1）优化筛管孔眼参数。增加筛管孔眼数量，减少孔眼直径，防止煤粉在负压作用下进入筛管。

（2）分段护孔。对顺层孔的应力集中段和软煤段等易塌孔区段采用高强度筛管进行护孔。

（3）增加筛管直径。采用50mm管代替原有的32mm管，采用插接式连接，增加筛管的有效内径。

4.2 顺层孔施工工艺

顺层孔施工采用先注浆封孔后施工顺层孔的工艺方法。注浆封孔结束后在孔口套管内施工顺层抽采钻孔。“先注浆、后封孔”的封孔工艺具体操作步骤为：

（1）采用113钻头开孔、240mm钻头扩孔施工6m，并下6mPE管（6寸）。在封孔管底部用石膏封堵不少于200mm，孔口用石膏进行封堵不少于400mm。

（2）封孔管与孔壁之间上部安设两根返浆管，下部安设两根注浆管。开孔倾角为正时，注浆管在孔口3m处，返浆管下至孔口5m处；开孔倾角为负时，返浆管在孔口1m处，注浆管下至孔口3m处。注浆管和返浆管采用千米钻孔专用注浆管。

（3）注浆时，将膨胀水泥和水按照0.8∶1（重量比）进行搅拌，并加入少量速凝剂，搅拌均匀后开始注浆[3]。当返浆管开始返浆时，将返浆管扎住并继续注浆，使注浆压力达到0.4MPa后停止注浆，将注浆管扎紧。孔内结构如图2所示。

图2 新工艺孔内结构图

将套管全部退出后，迅速拆除孔口四通装置，将一趟2寸临时负压管接在孔口。同时卸下钻头，将挡泥板安装在套管前端，将4m预留封孔管（1m短管+3m完整管，其中短管接在末端）下入钻机上套管内，并在尾部接好二寸负压管，同时撤掉孔口二寸负压管，迅速将预留管与孔内封孔管对接。将水泥调成糊状（水灰比1:1.5），塞在6寸PE管与封孔管之间，用钻机将挡泥板缓慢送入PE管内，并将塞好的水泥推至PE管底部，退出挡泥板继续塞水泥至孔口，直至6寸PE管内全部被水泥填实。最后拆除4m临时PE管，将6寸挡板安装在孔口6寸PE管上，并用2寸负压管联抽。

5 现场试验

该项目于2018年3月～6月，在该矿13091巷道内顺层钻孔塌孔较严重的400m区域范围进行试验。顺层钻孔布置距底板高度是1.5m，排距2m，单排距布置，对200个存在塌孔和低浓度问题的顺层钻孔进行护孔二次处理。同时在试验区域附近顺层钻孔塌孔较严重的100m区域范围按照相同布孔方式施工顺层钻孔，在抽采过程中不采用护孔二次处理措施，并对评价瓦斯抽采浓度数据整理，得曲线如图3所示。其中棱形点为采用护孔二次处理后的浓度曲线，正方形点为不护孔浓度曲线。

由图3可知，不采用护孔二次处理情况下，抽采初期瓦斯浓度仅为21.7%，最高抽采浓度为30.2%，有效抽采期的平均浓度为20%左右，并且在30d时间内降为0，衰减速率明显；而采用护孔二次处理的抽放钻孔，初期瓦斯浓度能达到54.8%，最高抽采浓度为61.4%，有效抽采期的平均浓度为44.8%左右，同时衰减期长达66d，并最终保持在17.2%左右。说明护孔二次处理后有效降低了有效钻孔的废孔率，抽采能力平均提高了27.8%，单孔抽采能力最高提高了58.3%，整体抽采能力得到很大提升。

图3 护孔二次处理效果对比图

6 结论

综上所述，对钻孔进行护孔二次处理，一方面通过提高钻孔孔口强度，实现抽采初期瓦斯浓度的提升，由21.7%增加到54.8%，平均浓度由20%提高到44.8%；另一方面通过钻孔强度提高，能够延长钻孔寿命，降低衰减速率，使钻孔有效时间由30d增加到66d，有效降低了有效钻孔的废孔率，提高区域整体抽采水平。