突出煤层煤巷掘进瓦斯抽采方法研究

任砚东

摘 要： 随着封孔工艺的发展，煤矿在瓦斯抽放时的抽放效率得到了提高。近些年，我国矿井开采深度日益增加，从前的低瓦斯矿井逐渐演变为高瓦斯矿井或突出矿井，瓦斯抽放成为许多矿井解决瓦斯问题的根本途径。因此，瓦斯高效率抽采成为煤矿开采的一项重要课题。基于此，本文就突出煤层煤巷掘进瓦斯抽采方法进行详细探究。

关键词： 突出煤层;煤巷掘进;瓦斯抽采;方法

【中图分类号】TD712 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.36.276

1 引言

突出煤层瓦斯抽采是一直是制约我国煤矿安全高效开采的技术难题。我国突出煤层分布广泛，在可采煤层中占比较大。突出煤层一般是指原始储层条件下，煤体破碎、渗透性低、瓦斯压力大的煤层，普氏系数f≤1。由于突出煤层煤质软、透气性差、瓦斯压力及含量大，钻孔施工过程中易出现塌孔、埋钻、抱钻现象;钻孔成孔后，孔壁稳定性差，易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞。

2 概述

煤炭在可预见的一段时间内将会是我国的主要能源。随着开采强度不断增强，我国突出矿井数量不断增加，开采的突出煤层存在瓦斯治理难度大、煤层透气性差等问题。因此，采用合适的煤层增透技术提升煤层透气性对提升矿井安全生产能力具有重要的现实意义。由于有效封堵距离短，受瓦斯抽放钻孔和水力造孔的影响，沿煤层抽放钻孔封堵段煤层裂缝发育。瓦斯抽放钻孔内存在大量漏气现象。随着负压抽放时间的增加，瓦斯抽放孔外的空气，通过巷道边部的裂隙和瓦斯抽放孔的裂隙进入抽放煤体，煤层极易自燃。随着开采深度的增加，高应力软煤层瓦斯抽放孔在施工过程中发生严重坍塌，造成封孔通道堵塞，导致布袋无法达到预定位置[1]。

3 突出煤层煤巷掘进瓦斯抽采方法

3.1 水力压裂增透技术

水力压裂用高压水作为动力，并使煤层裂纹开始裂开且连通的情况。水力压裂增透技术是利用高压水经钻孔向煤体内注入，被注入高压水的速度要远大于煤体自然吸水能力时，由于流动阻力的加大，在煤体内部的高压水压力也开始增加，当比煤体的岩石压力大的情况下，煤层内部原来的裂隙将会被高压水压开而出现新的流动通道，因此煤体渗透性增加。相关研究表明，煤体出现破裂的压力Pf是由地层垂向压力决定，其关系是Pf=0.0265H+3.5式中H是煤层埋深。煤体内多数是原生裂纹，是各向异性材料，受高压水的影响不会出现新裂纹，是原生裂纹的扩展延伸。注入水压大于渗失水压时，煤层受高压水影响后就会出现起裂，而原始裂纹的壁面则会出现膨胀，加速了该裂纹扩展和延伸，慢慢出现流动的通道，致使煤层压裂分解。煤体内多数的很小裂纹在受到高压水影响后将会不断扩展、贯通并成主裂纹，原级裂纹停止扩展后，次级裂纹在原级裂纹之间边缘端部则开始起裂。

3.2 超前排放钻孔抽采技术

选用ZDY6000LD型煤矿用全液压钻机，最大额定转矩为6000N.m，最大起拔力为210kN，主轴倾角-10°～20°，最大爬坡能力为20°。钻孔位置宜选择煤壁完整、无裂隙处开孔，采用卷缠聚氨酯封孔，孔口用水泥砂漿将抽采管固定牢固或用木楔塞紧，固定长度0.5～1.0m，煤孔封孔长度≥8m。煤巷掘进面采用高负压抽采系统进行抽采服务，抽采管线设计为从煤巷掘进面→采区回风巷→回风大巷→风井→抽采泵站→利用（或放空）。

3.3 长钻孔整体压裂

井下长钻孔水力压裂作业可分为准备阶段、高压注水阶段和保压阶段。准备阶段主要包括设备连接、通孔、洗孔、封孔、试压等;高压注水阶段包括注水压裂、监测监测过程;保压阶段包括停泵、保压、排水等过程。压裂后利用压裂孔作为瓦斯抽放孔，实现多功能。准备阶段，对压裂钻孔进行通孔作业，用清水反复冲洗，清除孔内沉渣，然后对压裂设备进行测试。根据膨胀式封隔器的工作原理，采用快速密封技术。根据钻井过程中对地层岩性的识别，选用导靴、单流阀、压差滑套和膨胀式封隔器组成的密封工具组合，在孔径稳定的井段下入。从油管中按压，可利用水压快速打开和膨胀橡胶筒，10分钟内可快速设置封孔工具组合。高压注水阶段采用整体不间断压裂，压裂液选用清水，并详细记录压裂时间、压力、排量等数据。当注水量达到设计要求时，停止压裂作业。压裂结束后，提起油管，切断封隔器销，实现解封。压裂结束后进行保压，使钻孔内流体压力缓慢降低直至恢复平衡，而后打开孔口阀门进行排水作业。

3.4 高转速空气螺旋钻进技术

高转速空气螺旋钻进技术主要是以空气为介质，利用高转速钻机的高速回转优势，带动螺旋钻杆回转，同时压风从钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔壁与钻杆之间的环空形成高速气固混合气流，同时煤粉颗粒在高速离心力作用下被悬浮起来，依靠风力举升作用和螺旋辅助排渣作用将钻屑输送至孔外，保证钻孔排渣通道顺畅;同时，压缩空气从钻杆内孔进入，通过钻头水口进入孔底后，起到冷却钻头的作用[2]。采用空气螺旋钻进技术配套大通径快插式高叶片螺旋钻杆施工有以下几方面的优势：采用压缩空气作为冲洗介质，能够减小冲洗介质对孔壁的冲击，有效降低钻进过程中孔壁坍塌几率，同时在空气作用下，便于瓦斯快速释放和解吸;依靠空气和螺旋钻杆高叶片机械推移复合动力进行排粉，排渣效果好，螺旋钻杆的螺旋叶片在将一部分钻屑推向孔口的同时，在高速旋转过程中搅动沉积在孔壁下侧的钻屑，利用空气及时将钻屑输送至孔口，减少重复破碎，减轻钻具摩擦生热程度;钻杆为插接式结构，塌孔后便于可通过正、反转处理，同时空气进入后，钻屑呈气固两相流悬浮，在机械推移的作用下，顺利排出孔外，降低卡钻事故发生几率。

4 结束语

综上所述，由于我国煤层赋存条件及地层结构较为复杂，采用传统的瓦斯抽采措施难以满足矿井瓦斯治理需要。因此，为了提升突出煤层瓦斯治理效率，增加采面回采巷道掘进速度，矿井可以采用多方式联合瓦斯抽采技术对瓦斯进行治理，并取得显著的安全效益。

参考文献

[1] 陈召英.郝海金.郝春生.赵晋斌.田庆玲.煤层气井地面压裂和井下长钻孔联合抽采技术研究[J].煤炭科学技术，2019，47（08）：142-146.