突出煤层钻孔深孔通连抽采技术研究与应用

钱高峰，王丰华

(平顶山天安煤业股份有限公司 四矿，河南 平顶山 467093)

为了防止发生煤与瓦斯突出事故，降低矿井瓦斯涌出量，并减少煤层气对环境的温室污染效应，20世纪50年代瓦斯抽采技术在各国快速发展[1]。2019年，我国煤层气产量达到88.8亿m3，虽然我国瓦斯产量大，但是抽采浓度波动大的现状造成了瓦斯利用率低的现实难题，其中封孔质量的好坏直接影响了瓦斯的抽采效果。因此，煤层钻孔的高效密封技术研究迫在眉睫。高效的钻孔抽采技术能使煤层瓦斯在回采前60%～70%被抽出，实现瓦期抽采达标，确保煤层采掘安全。近几年，为提高钻孔瓦斯抽采率，国内突出矿井通过科技创新，推出了水力压裂、水力造穴[2-3]等煤层增透卸压技术，大幅度提高了钻孔瓦斯抽采率。部分矿井为进一步提高钻孔精准度采用了定向钻机施工钻孔[4]，使钻孔施工和抽采技术上了一个新的台阶。但煤层是一个承压体，受地压影响在施工钻孔或增透后，钻孔周边煤体会经过卸压—成腔—再受压—再压实—再平衡的过程，经过此过程后成型钻孔会塌孔压实，钻孔周边煤层透气性随之降低，加上钻孔施工过程中轨迹出现漂移以及抽放工艺存在诸多问题，就会造成钻孔深部煤体钻孔虽然施工到位，但抽不出瓦斯。这也是很多大埋深突出矿井在实施钻孔抽采后，回采过程瓦斯涌出量仍然较大、消突不彻底的原因。

特别是目前国内钻孔抽采工艺没有统一的标准，《防治煤与瓦斯突出细则》第67条规定“预抽瓦斯钻孔封堵必须严密。穿层钻孔的封孔长度不得小于5 m，顺层钻孔的封孔段长度不得小于8 m”[5]。但对钻孔封孔、连孔抽采工艺没有做出明确要求，主要靠矿井自主考察确定。

随着封孔材料的发展，国内有关抽采瓦斯钻孔封孔技术从20世纪50年代的手工黄泥封孔法[6]发展到现在的机械式封孔技术[7]和以聚氨酯、水泥为注浆材料的“两堵一注”封孔工艺[8-9]。其中，“两堵一注”封孔时，通常以3～5个钻孔为1组进行连孔抽采。此种连孔方式解决了封孔抽放中的部分问题，但存在封孔囊袋位置不合理、钻孔裂隙未完全封实、钻孔串抽多、支管接口多、钻孔深部无负压等问题[10-11]，尤其是长距离钻孔深部受塌孔和负压传递影响瓦斯无法抽出。例如，平煤四矿己15突出煤层的煤层原始瓦斯压力小于0.74 MPa，含量低于6 m3/t，煤层厚度1.3～1.5 m，在采用以上封孔抽采工艺时，本煤层孔深90 m钻孔始抽浓度为30%～50%，单孔流量0.09～0.15 m3/min；抽采3～5 d后，抽放浓度下降到3%～6%，抽放支管浓度只有2%～3%，混合流量达到30～45 m3/min，抽放纯量0.6～1.2 m3/min，抽放效果较差。

1 现有封孔、连管存在的问题

1.1 钻孔封孔标准低，设计不合理

(1)抽采钻孔在不同煤种的封孔深度和长度存在差异性，没有区别对待。煤层巷道开掘后，受支承压力的影响，煤壁随着暴露时间的增加，会形成一条宽度不断变化的瓦斯预排等值线排放带，巷道暴露越长，带宽越大，裂隙就赿发育。如果在抽采期内封孔深度处于巷道等值线排放带以外，钻孔在抽采过程中漏气量会随着带宽的增大而增加，抽放浓度会快速衰减。

(2)钻孔注浆封孔长度达不到要求时，封孔段没有对钻孔进行有效隔绝。钻孔内腔通过煤岩裂隙与钻孔外腔连通，孔内腔形不成负压，无法抽出钻孔内瓦斯。

(3)封孔注浆压力低，注浆不稳压，封孔强度达不到要求。封孔介质未对钻孔壁裂缝进行黏合、充填或注浆囊袋无排水、排气装置，注浆时囊袋内积水、存气，造成封孔水泥柱未注实，留有空缝。

(4)钻孔封孔未全程下筛管或封孔管采用短管插接方式。此种下管方式：①封孔管不能把抽放负压传递到钻孔深部；②钻孔抽放负压外高里低，抽放负压未均匀分布。

1.2 钻孔连孔工艺存在问题

(1)封孔管强度低，在钻孔注浆或钻孔塌孔过程中，封孔管被压扁堵塞，封孔管不透气，管内气体流动通道被阻断。

(2)封孔管在孔外与多个钻孔串、并联，抽放管接口多，接头处漏气，降低抽放浓度。

(3)封孔管筛眼间距布置不合理，如封孔管筛眼均匀布置或间距小，抽放负压在钻孔浅部损失过快，会造成钻孔深部负压过低。

1.3 钻孔施工质量及管理差

(1)钻孔施工质量达不到设计要求，钻孔轨迹偏移量大，终孔不在预定位置。

(2)孔内积水或钻孔成孔后钻屑清理不净，抽放时水煤泥进入封孔管，堵塞管路。

(3)钻孔抽放浓度低或效果差时未及时查明原因采取补救措施。

以上是造成煤层抽采不达标、抽放效果差的主要原因。

2 钻孔深孔通连注浆抽采技术

2.1 合理确定钻孔封孔深度和长度

根据巷道预排瓦斯等值线宽度确定封孔深度，按不同煤种对巷道预排瓦斯带宽度进行考察确定，如无实测值，按式(1)计算：

h=0.808T0.55

(1)

式中，h为巷道预排等值宽度；T为巷道煤壁暴露时间，取300 d。

将数据代入公式计算得，h=18.6 m。

按式(1)计算巷道预排瓦斯带宽度值确定钻孔封孔深度不少于18 m。另外，封孔深度还要考虑顶(底)板抽放巷施工区域钻孔对煤巷掘进时两侧的穿透控制范围，超过计算等值排放带宽度的封孔深度取大值。高抽巷穿层钻孔布置如图1所示。

图1 高抽巷穿层钻孔布置Fig.1 Drilling layout of high-drainage tunnel crossing layers

封孔长度是另一项避免钻孔漏气的措施，为确保钻孔密封严实，在满足《防治煤与瓦斯突出细则》第67条要求的基础上，再增加20%～25%的注浆段，确定为10 m，以提高钻孔封孔严密性。

2.2 全孔深下筛管抽采

钻孔塌孔或封孔管不下到孔底对煤层深部瓦斯抽采影响较大，为达到钻孔全孔长抽采目的，要保证抽采负压能传递到孔底，采取以下措施：①把封孔管下到孔底，保证钻孔抽采煤层瓦斯面积增大；②改变封孔管筛眼间距，采用“外疏里密”，即筛眼段2/3眼距是里段眼距的2～3倍，保证抽放负压在钻孔外段不过量损失，负压能传递到孔底(图2)。

图2 封孔管筛眼布置示意Fig.2 Layout of the sealing pipe screen

另外，为避免封孔管被塌陷钻孔压扁，封孔管要选用抗压强度大于1.6 MPa的PV管。

2.3 通管直连工艺

改变传统封孔管3 m一根插接式抽采方式，采用“一根管”从孔口下到孔底，孔外直接与抽放管对接的连孔方式，不再采用孔外多个钻孔串、并联等集中连孔后再与抽放支管对接的方式，实现“钻孔通管、一孔一连”的通管直连接方式。同时，在封孔管与抽放支管对接处采用丝扣标准件连接，实现钻孔孔内与抽放支管的无缝对接，解决了封连钻孔接口多、漏气点多的弊端和钻孔漏气卸压问题。钻孔通管直连封孔如图3所示。

图3 钻孔通管直连封孔示意Fig.3 Schematic of direct connection and sealing of drilling through pipes

2.4 微膨胀“两堵一注”高压注浆技术

钻孔封孔严密性是决定抽放效果的重要环节，该封孔工艺采用高密度微膨胀水泥进行注浆，效果较好，注浆参数：①封孔管直径32 mm，注浆管直径8 mm；②封孔管材质为PV，抗压强度大于2.0 MPa；③注浆深度大于10 m，；封孔囊袋长度大于0.8 m；④水泥浆比1∶0.8，水泥膨胀比大于7%；⑤注浆量50 kg；注浆风压0.4 kPa；⑥稳压时间2 min。

2.5 强化钻孔施工质量及现场管理

(1)查清地质条件，掌握煤层赋存规律，合理设计钻孔施工参数，选择扭矩匹配钻机。根据孔深按规定对钻孔进行测斜，掌握钻孔漂移规律，校正施工参数，保证钻孔施工精准度。

(2)定期测量钻孔抽采参数。对钻孔初始抽放瓦斯浓度衰减快，初始抽放浓度低于20%或72 h内抽放浓度低于5%的钻孔，立即采用高压水透孔、二次封孔或重新补打钻孔等方式处理。

(3)加强钻孔积水处理。采用人工和自动放水器放水相结合的放水方式，强化钻孔积水管理，对钻孔长期出水的采用单管立式放水器逐个处理。

(4)支管管路安装时每200～300 m安装一个放水装置，并在巷道低洼处、风流冷热交汇处安装放水器。

3 应用效果分析

为了考察钻孔全孔深下筛管和通管直连工艺以及微膨胀高压注浆技术的效果，在平煤四矿己15煤层3个月施工2组共计200个本煤层钻孔。通过对施工钻孔的连续跟踪，记录测定参数。优化后封孔连管工艺与优化前对比，钻放抽放浓度、单孔抽采浓度、单孔抽放纯量和单孔抽放混合量等方面均有显著变化。

3.1 瓦斯抽采浓度显著提高

钻孔封孔工艺优化前、后管路抽放浓度对比如图4所示。从图4(a)可以发现，初始抽放浓度从优化前的20%～50%上升到70%～90%，部分钻孔抽放浓度甚至达到100%。累计抽采时间达到30 d时，浓度保持在50%～70%；累计抽采时间达到60 d时，浓度保持在40%～60%。从图4(b)可以看出，累计抽采时间到达60 d时，抽放支管瓦斯浓度从原有的2%～3%上升到9%～10%。

图4 钻孔封孔工艺优化前、后管路抽放浓度对比Fig.4 Comparison of pipeline drainage concentration before and after drilling and sealing process optimization

从图4可以看出，钻孔封连孔工艺改变后，钻孔初始浓度平均在70%以上，且抽放浓度下降趋势平缓，未优化封孔工艺的钻孔浓度己下降到3%～5%，封连孔工艺优化效果明显。

3.2 单孔抽放混合流量下降，抽采纯瓦斯量升高

钻孔封孔工艺优化前后单孔抽放量对比如图5所示。从图5(a)可以看出，封孔工艺改进后，单孔抽放混合量从0.08～0.12 m3/min下降到0.006～0.040 m3/min。从图5(b)可以看出，抽放纯量从0.004～0.006 m3/min提高到0.28～0.04 m3/min。

图5 钻孔封孔工艺优化前后单孔抽放量对比Fig.5 Comparison of single hole drainage volume before and after optimization of drilling and sealing technology

4 结论

(1)对平煤四矿己15煤层抽采钻孔漏气因素进行了分析，合理加大钻孔封孔长度和深度，改造了封孔管筛眼布置方式，实施“一孔一管”通管直连工艺，并采用微膨胀“两堵一注”高压注浆技术。

(2)强化现场管理，定期放水，及时修复抽采浓度低的钻孔，是确保钻孔抽放效果和不留抽采空白带的根本保证。

(3)抽采60 d，优化后钻孔瓦斯平均抽放浓度下降趋势平缓，且比未优化封孔工艺的浓度提高了近4倍，单孔抽放纯量提高了近6倍。