潘一矿11518工作面顺槽高抽巷下向穿层孔施工、抽采成套技术研究

【摘要】在顶板巷施工穿层钻孔对突出危险区煤层进行区域预抽消突，掩护煤巷掘进，突出了以“安全第一、以人为本”的安全生产理念，是行之有效防止瓦斯突出的区域措施。在确保安全生产的同时如何取得最大的经济效益，关键在于顶板巷预抽钻孔施工、抽采工艺。本文以潘一矿11518高抽巷为例，介绍高瓦斯突出危险工作面高抽巷下向穿层孔条带预抽掩护掘进的瓦斯抽采技术，为同类矿井保护层开采提供参考。

【关键词】高瓦斯突出矿井；条带区域消突；下向穿层钻孔；瓦斯抽采

1、引言

潘一矿是一座年产能力为500万吨的大型煤与瓦斯突出矿井，全矿井绝对瓦斯涌出量150.24m3/min，相对瓦斯涌出量11.86m3/t。矿井突出危险煤层为13-1、11-2、8、7-1、6-1、4-1煤层。矿井主采煤层为C组13-1和11-2煤层，经过近30年的高强度回采，矿井主采煤层C组煤在一水平仅剩7个可采块段，目前矿井二水平系统巷道已经构成，二水平C组煤首采工作面计划于2014年底投产。面临主采C组煤可采资源的匮乏，打开一水平B组煤成为确保矿井高产高效的关键。

2、影响高抽巷下向钻孔抽采效果的因素分析

潘一矿11518工作面标高-576.7～-598.5m，可采走向长930m，倾斜宽213m，面积198090m2，11518工作面顶板共布置两条高抽巷，其中顺槽高抽巷外错下顺槽36m，兼做下阶段的高抽巷（一巷两用）。11518顺槽高抽巷设计标高-533.5～-575.5m，长度1559.7米，巷道距8煤顶板垂距为18～25m，巷道为锚网喷支护，巷道规格为高3m*宽3.5m。高抽巷采用全负压通风，巷道内敷设有一趟10寸抽采管路。

高抽巷于2012年11月20日开始施工下向穿层钻孔，钻孔孔深在40～80m左右，钻孔施工过程中发现多数钻孔施工至10～15m左右时孔内出现积水，钻孔施工完毕后进行扫孔排渣，但由于孔内煤岩粉与积水混合后呈胶体状，通过钻杆利用矿井风水压力难以将煤岩粉排出孔外，大量钻屑滞留孔内，在瓦斯解吸过程中会越澄越实，从而严重影响瓦斯释放；根据高抽巷下向穿层掩护预抽钻孔控制要求，钻孔必须控制到煤巷巷道轮廓线两侧15m，钻孔孔底间距不大于3m，因此做到“钻到位”极为重要，它直接影响到整个掘进预抽块段是否能够真正消突，安全掘进；8煤直接顶为泥岩及砂质泥岩，厚0～5.36m，平均厚度为2.88m，直接顶分层厚度小，产大量植化碎片，防止钻孔孔壁坍塌造成堵塞钻孔就成为煤体瓦斯及时抽出的重要影响因素；另外，8煤顶板大量的砂岩裂隙水源源不断的涌入孔内，使得煤体解吸出的瓦斯在孔底形成一个能够克服水柱压力的“瓦斯团”后方能向上排至孔口，造成煤体瓦斯释放速度减慢，影响预抽效果，延长了预抽时间，严重影响了煤巷掘进进度。

3、工作面顺槽高抽巷下向穿层钻孔打钻、抽采综合技术

3.1穿层钻孔设计、布置

根据潘一矿11-2煤顶板巷穿层钻孔施工经验，当孔内无积水存在时，孔内钻屑能够利用矿井压风能轻易排除孔外，但11518顺槽高抽巷穿层钻孔积水达，孔内钻屑呈胶体状，难以利用矿井风水压力完全排除孔外，因此在钻孔设计时向下延伸5m，即将钻孔孔深由原来的穿过8煤全厚见底板改为穿过8煤底板5m，用以沉淀剩余钻屑，防止其造成钻孔穿煤段的堵塞。

3.2穿层钻孔施工技术

3.3穿层钻孔护孔技术

3.4穿层钻孔封孔技术

钻孔封孔是瓦斯抽采工作中最为重要的环节，钻孔进行“两堵一注”封孔后抽采时发现巷道底板、孔壁有漏气现象，证明“两堵一注”不能适用于钻孔内存在大量积水的情况，经分析主要有2个因素：1、聚氨酯类封孔材料为近几年来新兴并发展起来的一种高效的封堵、充填材料，随着市场的繁华，产品的种类越来越多，质量参差不齐，经试验部分聚氨酯存在一种“萎缩变形”现象；2、在孔内存在积水的情况下，中间水泥注浆段注浆浓度难以把握，无形中就增大了浆液水灰比，而水泥凝固收缩率与水灰比成正比，从而导致凝固后收缩裂缝越大，同时大量积水的存在也会导致孔内实际注浆封孔长度缩水。以上因素会导致封孔质量下降，影响到整个抽采系统的负压、浓度，抽采效率低下。

为解决以上难题，潘一矿试验多种封孔材料，对封孔工艺进行创新，最终确定采用“封孔胶囊+固瑞特（GRT301）”封孔工艺，封孔胶囊结构与钻孔封孔图分别见图2、图3。固瑞特是一种由有机高分子和无机材料制备的加固型双组份注浆材料，具有高度粘合力和很好的机械性能，不产生收缩变形，与岩层能产生高度粘合，现场使用时不需称重配浆，只需将A、B组分按1：1（体积比）通过双液注浆泵自动混合后即可注浆，另外，固瑞特比重为水的1.2～1.5倍，能够从下而上充分反应凝固，不受孔内积水的影响。此种封孔工艺流程分为两步：第一、采用双液注浆泵向胶囊内注水，压力升至1.5～3MPa，撑开金属壳体及高压橡胶膨胀管，安全阀打开，实现封孔；第二、采用双液注浆泵继续加注固瑞特，固瑞特经安全阀向上漫至孔口，即完成封孔作业。

3.5穿层钻孔排水技术

钻孔穿透煤层后，煤层瓦斯的流动是一个连续的两步过程：第一步，以自然扩散的形式，瓦斯从没有裂隙的煤体中流到周围的裂隙中去；第二步，以渗流的形式，瓦斯沿裂隙流到钻孔内，钻孔施工时对煤层的穿透扰动所造成的裂隙成为瓦斯流动的通道。因此确保裂隙不被堵塞就可以确保煤体的瓦斯顺利解吸，提高抽采效率。

封孔工艺改进后发现抽采浓度有了质的提升，但整组孔抽采纯量并没有明显变化，通过瓦斯抽采自动计量装置可以明显观察到抽采量呈波浪式规律变化，这是由于孔内积水在垂重力的作用下堵塞煤层裂隙所至，孔内无积水堵塞的情况下煤体瓦斯按上述两步被抽出钻孔。但孔内存在重力水的时，煤体瓦斯解吸过程增加了一步，即煤体所释放的瓦斯会积存于孔底，形成一个“瓦斯团”，只有当积聚的解吸瓦斯团压力大于孔内重力水与绝对气压所产生的压力之和时，才能向上运动至孔口，这样就严重的影响了煤体瓦斯解吸的速度。由于11518顺槽高抽巷与煤层垂距在18～25m，纯水柱（假设无钻屑杂物存在）所产生的压力为0.18～0.25MPa左右，而抽采负压为20KPa，实测高抽巷大气压在108.3KPa左右，则在孔底会产生0.26～0.34MPa左右的压力。可以看出孔内重力水与是影响瓦斯顺利解吸的主要因素，而抽采负压受抽采设备能力、抽采管网阻力等影响，提升空间有限，因此是否能消除重力水的影响就成为煤体瓦斯能否快速解吸排出的关键。

为消除积水影响，潘一矿在11518顺槽高抽巷采用了孔内压风排水的方式，具体方案如下：当钻孔封孔完毕后，向孔内下一4″铁管作为压风排水管至孔底。整组后，将所有排水管与压风管路进行连接，安装单孔压风手动控制阀和整组总控电磁控制阀，设置动作时间，控制自动排水频率，进行钻孔抽采自动排水。抽采排水、排渣布置见图5。随着钻孔量逐渐加大，控制压风的电磁控制阀使用越来越多，对风压和管道抽采浓度影响较大，影响了排水效果和抽采效果。将一个比例控制阀控制一组钻孔改为控制3组。另根据孔内积水时间与排水时间的关系，总结出最佳排水周期及排水时间，将排水时间从3分钟改为1分钟，同时根据钻孔抽采的不同周期，设定比例控制阀的动作周期，最大限度避免配气进入抽采干管，影响抽采效果。

4、结论

（1）通过对11518顺槽高抽巷钻孔施工中遇到的问题分析，进行正对性改进，高抽巷抽采量增加了70%左右，缩短了煤巷掘进条带预抽区域瓦斯预抽时间，在确保了安全生产的同时缓解了矿井生产接替紧张的局面。

（2）11518顺槽高抽巷实施新的钻孔施工、抽采工艺以后，抽采干管浓度由原来的6%上升到45%左右，高浓瓦斯直接用于瓦斯发电，实现的煤与瓦斯共采。

（3）11518顺槽高抽巷处理孔内积水是被动的采用压风排除的方式，虽然有效收效，但下一步根据钻孔施工时孔内见水深度，采用深部封孔将砂岩水堵与孔外值得研究。

（4）8煤煤层透气性差，随着抽采时间的推移，钻孔抽采量有明显的衰减。采用孔内深孔爆破来增加透气性系数，延长钻孔服务时间是我们研究的方向。