透气性低且抽采钻孔围岩裂隙发育煤层瓦斯治理技术应用与分析

透气性低且抽采钻孔围岩裂隙发育煤层瓦斯治理技术应用与分析

谢桂梅

湖南省煤业集团有限公司红卫矿业公司 湖南 232052

摘要：以湖南省煤业集团红卫矿业有限公司坦家冲煤矿2463区域瓦斯治理工程为背景，阐述了透气性低且抽采钻孔围岩裂隙发育煤层瓦斯治理技术的应用方法及效果。对坦家冲煤矿2463区域抽采空开孔位置所在巷道围岩裂隙进行充填，以降低抽采负压、提高抽采浓度；利用水力造穴技术透气性极低的6煤层瓦斯进行增透。坦家冲煤矿6煤抽采半径小于0.5m，透气性极差，常规抽采孔的瓦斯抽采量及抽采浓度都得不到保证。综合引进抽采钻孔围岩裂隙充填及水力造穴增透技术后，原本透气性极差的6煤层也有了很好的抽采效果，瓦斯抽采浓度超过38.5%。

关键词：瓦斯抽采；抽采负压、裂隙充填、水力造穴

Application and analysis of gas control technology in coal seams with low permeability and developed fissures in surrounding rock of drainage boreholes

Xie Guimei

(Hunan Coal Industry Group Co., Ltd. Hongwei mining company, Hunan 232052, China)

Abstract: Taking the gas control project in the 2463 area of tanjiachong coal mine of Hunan coal industry group Hongwei Mining Co., Ltd. as the background, this paper expounds the application method and effect of coal seam gas control technology with low permeability and developed fractures in the surrounding rock of extraction boreholes. Fill the surrounding rock fissures of the roadway where the goaf opening is located in the 2463 area of tanjiachong coal mine, so as to reduce the negative pressure of extraction and improve the concentration of extraction; The gas permeability of 6 coal seam with extremely low permeability is increased by using the hydraulic hole making technology. The drainage radius of coal 6 in tanjiachong coal mine is less than 0.5m, and the permeability is extremely poor. The gas drainage volume and concentration of conventional drainage holes cannot be guaranteed. After the comprehensive introduction of the technology of fracture filling in the surrounding rock of drainage boreholes and hydraulic hole making to enhance the permeability, the original coal seam 6 with extremely poor permeability also has a good drainage effect, and the gas drainage concentration is more than 38.5%.

Keywords: Gas extraction; Pumping negative pressure, fracture filling, hydraulic hole making

1 引言

湖南省煤业集团红卫矿业有限公司坦家冲煤矿为煤与瓦斯突出矿井。主采煤层6煤层透气性差、瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤厚变化频繁、软分层厚、构造发育、瓦斯赋存规律不明显、瓦斯治理难度大，矿井发生煤与瓦斯突出事故多、突出强度大，瓦斯始终是矿井第一灾害。坦家冲煤矿2463区域瓦斯治理工程在该矿透气性极低的6煤层中进行。由于抽采半径仅有0.5m，坦家冲煤矿6煤层的抽采难度极大，常规的抽采钻孔能够抽采的瓦斯总量近乎为零。

提高瓦斯抽采效果的方法有很多，包括开采临近保护层、高压注砂增透和水力造穴增透等[1-3]。根据坦家冲煤矿瓦斯治理经验和现场的基本条件，选择水力造穴作为概况瓦斯抽采效果保证的主要辅助技术[4-5]。

另外，坦家冲煤矿北翼6煤层底板岩石裂隙发育，底板巷道开挖诱发的松动圈扩展进一步加剧了裂隙的发育程度，以往类似条件的穿层瓦斯抽采空的抽采效果极差。抽采效果差主要体现在抽采浓度极低，近乎于零。因此有必要采用注浆的方式对围岩裂隙进行充填，保持钻孔孔壁完整性，保证瓦斯抽采效果。

2 煤层瓦斯抽采工程实施概况

2.1 煤层瓦斯抽采工艺流程

根据坦家冲煤矿北翼6煤层难抽采和其底板岩石裂隙发育的特点，本项目技术方案重点围绕增加煤层透气性、稳定抽采钻孔较高瓦斯抽采浓度两个目标制定。采用水力造穴增透技术实现提高煤层透气性；采取预注浆和应用“两堵一注”技术加大封孔长度、带压封孔注浆的措施提高抽采钻孔气密性。主要按以下步骤进行。

（1）根据煤层赋层情况和查明的地质构造情况，布置预注浆钻孔进行预注浆，注浆压力达到设计值。预注浆超前抽采钻孔不少于两组抽采钻孔的距离。

（2）仰角3°以上钻孔施工结束，进行高压水力割煤，在煤体中形成空穴。

（3）下设套管和囊袋。抽采钻孔全程下套管。

（4）注浆封孔。

（5）连管抽采。

3.2 抽采钻孔预注浆充填裂隙方案设计

根据裂隙带位置，并遵循注浆范围全覆盖抽采钻孔的原则，采用工程类比法注浆扩散半径取1.5m,确定注浆孔排距2m，如图1所示。

图1 预注浆钻孔设计平面图

图2 预注浆钻孔设计剖面图

方位与抽采钻孔一致；倾角根据抽采钻孔设计的倾角最大值、最小值确定注浆孔覆盖范围；根据巷道周长、结合注浆扩散半径取每排注浆孔数目4个（如图2所示）；孔深根据裂隙带位置确定，终孔距煤层法线距离不小于2m。

预注浆使用普通硅酸盐水泥，水灰比1：0.7(按手臂插入注浆桶、拿出后能挂满浆)。注浆压力3∽4MPa，稳压时间不小于5min。

稳压后的预注浆钻孔超前正施工抽采钻孔的距离不少于2组间距。注浆按从下向上的次序逐次进行，遇漏浆点多，卸压严重、无法升上压时，进行二次、甚至更多次数注浆，直至预注浆孔升上压为止。

图3 预注浆效果图

加大封孔长度的目的是阻断抽采钻孔与孔口及巷道壁面的连通通道。见煤深度小于30m时，前端囊袋下到煤层底板；否则，用30m囊袋进行封孔。囊袋前端用筛管。

“两堵一注”封孔工艺原理：通过在抽采钻孔内套管两端布置囊袋并注入封孔材料，使囊袋膨胀与孔壁严密接触并对孔壁形成压力，当注浆压力达到一定值后，注浆管上爆破阀爆裂，浆液流入两个囊袋间封孔段空间，逐渐充填实，继续注浆，在压力作用下，浆液沿钻孔孔壁裂隙向周围渗入，使得孔壁周围裂隙得到有效充填，进而达到带压封孔目的。

现场采用“FKJW-50/0.5型矿用封孔器、JD-WFK-2型速凝膨胀封孔剂和“ZBQ 28/0.5型煤矿用气动注浆泵等配套产品和设备，能够有效封堵钻孔孔壁周围裂隙，保证钻孔密封效果。预注浆效果如图3所示。

自2021年8月至2021年12月底，共施工11-18共8组120个抽采钻孔（连管抽采6.5组98个钻孔）。数据监测结果显示钻孔抽采浓度总体基本保持在相对高位，抽采钻孔密封性高；抽采2-3个月，浓度有起伏变化，衰减规律不明显，与煤体持续膨胀变形、发生位移密切相关。

3.3 高压水力造穴增透方案简述

3.3.1高压水力造穴增透原理

通过利用高压水射流在煤体中冲刷形成一个类圆柱体的孔洞，为煤体膨胀变形、卸压、相对移动提供了空间，并在扩展煤体原生裂隙的基础上，形成了新的次生裂缝，为瓦斯流动提供空间，大幅提高了煤层透气性，增加了游离瓦斯含量，提高瓦斯抽采效果。

3.3.2设备型号

钻机使用重庆ZYW1900型；高压注水泵选用BZW200/31.5(系统额定压力31.5MPa、最大排量200ml/r),电机额定功率110KW。

施工采用密封性好、耐压力的肋骨钻杆，保证在冲孔时高压水流不因钻孔距离长而损失压力。

施工钻头采用孔径为94 mm的三翼内凹式钻头，钻头和钻杆之间连接一根造穴用的割刀，割刀内设有高低压转换造穴装置。高低压转换造穴装置通过装置内部活塞的移动来实现前端出水与喷头出水。低压水作用在活塞上，活塞不产生位移，水流通过该装置从钻头前端流出，达到冷却钻头和排渣的目的。施工过程中，水压较低时水流通过割刀从钻头流出排渣，当开始造穴时，高压水作用在活塞上，活塞产生位移，前端通道被密封，高压水流从割刀两侧喷出，高压水流在旋转中对煤体进行冲刷造穴，不需要开孔后重新放入造穴钻头再进行造穴，提高作业效率。

3.3.3 水力造穴增透效果考察

仰角3°以上的钻孔进行水力造穴。穿煤段距离在3-5 m，考核出煤量在3 t左右；基本达到了每米造穴段不低于1 t煤的要求。高压水流将孔内煤渣排出，在煤体内形成一个直径约0.92 m（R=（1/1.5*π）1/2）的类圆柱体孔洞，煤体在孔内发生位移，地应力、瓦斯压力得到释放，同时煤体形成新的裂隙、沟通原有裂隙，增加了煤体的渗透性，提高了瓦斯抽采的容易程度，满足抽采设计要求。

自2021年8月至2021年12月底，共施工11-18共8组120个抽采钻孔（连管抽采6.5组98个钻孔），瓦斯抽采浓度见附表3-5-1。从附表3-5-1中可看出钻孔抽采浓度总体基本保持在相对高位，抽采钻孔密封性高；抽采2-3个月，浓度有起伏变化，衰减规律不明显，与煤体持续膨胀变形、发生位移密切相关。

4  坦家冲煤矿2463区域瓦斯治理效果

坦家冲煤矿2463区域瓦斯治理工程自2021年3月下旬实施以来，以“预注浆、钻到位、强增透、孔畅通、管到底、孔封严、水放空、不漏气、平直顺”的技术路线为指导组织施工。截至2021年12月底，已施工16组抽采钻孔，穿层抽采钻孔控制2463区段条带走向长度64m。

工作大体分为三个阶段，第一阶段为3月下旬至4月，第二阶段为5月至7月，第三阶段为8月至今。第一阶段因种种原因没有采取预注浆工艺，施工的钻孔普遍存在抽采一天后浓度迅速衰减现象。第二阶段采取预注浆工艺，先将多组预注浆孔集中施工完毕，再集中进行注浆的方法堵塞围岩裂隙，但因漏浆卸压点多，预注浆孔达不到设计压力，该阶段施工的抽采钻孔的抽采浓度维持10天左右后急剧下降。

在总结第一、第二阶段工作经验教训基础上，第三阶段对预注浆工艺进行改进，一是优化预注浆钻孔设计，达到注浆后形成的帷幕能覆盖所有抽采钻孔的要求；二是预注浆施工工艺，按“打一组、注一组”的原则及时对预注浆钻孔进行注浆，对没达到设计压力的孔，24小时后，在其附近重新施工注浆孔进行二次、甚至更多次数注浆，直至预注浆孔升上压为止。该阶段施工的第11组、第12组钻孔连管抽采后，一直保持着相对较高的浓度，平均浓度超过52%。

第三阶段对预注浆工艺进行改进：一是优化预注浆钻孔设计，达到注浆后形成的帷幕能覆盖所有抽采钻孔的要求；二是预注浆施工工艺，按“打一组、注一组”的原则及时对预注浆钻孔进行注浆，对没达到设计压力的孔，24小时后，在其附近重新施工注浆孔进行二次、甚至更多次数注浆，直至预注浆孔升上压为止。该阶段施工的第11组、第12组钻孔连管抽采后，一直保持着相对较高的浓度，如表1所示。

参考文献

[1] 秦贵成. 本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(8): 106-113.

[2] 张浩. 构造煤层掘进工作面区域性顺层水力造穴强化瓦斯抽采机制与工程应用[D]. 中国矿业大学. 2020.

[3] 栗磊. 低透气性煤层水力造穴增透抽采工艺试验研究[J]. 煤炭技术, 2021, 10(9): 80-83.

[4] 饶高. 基于“三高四新”战略夯实煤矿安全生产基础——红卫公司坦家冲煤矿瓦斯综合治理技术研究[J]. 采矿技术会议论文集, 2021, 21(10): 56-59.

[5] 方前程. 坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究[J]. 中国煤炭, 2012, 38(2): 106-108.

表1 第十一、十二组抽采钻孔瓦斯抽采浓度检测表

注：前6次为矿抽检结果，2022年1月16日为施工单位自检结果

作者简介：谢桂梅，女，汉族，湖南衡阳人，本科学历，高级工程师，研究方向：矿山安全及管理。