高瓦斯强突出煤层递进式钻抽卸压及防喷技术应用研究

摘要：针对高瓦斯强突出煤层瓦斯抽采难、钻孔施工效率低等弊端，提出了递进式钻抽卸压及防突技术，分析了钻孔卸压模型，揭示了递进式钻抽卸压原理。技术应用表明，能够有效提高钻孔成功率，施工效率提高60%以上；有效控制了钻进中由于喷孔导致的回风流瓦斯浓度高和煤屑喷溅等问题，降低了作业面粉尘量，美化了作业环境，区域瓦斯治理效率提高了近3倍，对于高瓦斯强突出煤层的瓦斯抽采有着十分重要的现场应用价值。

关键词：钻抽；卸压；防喷；高瓦斯；强突出

【分类号】：TD713

钻孔抽采煤层瓦斯作为煤矿瓦斯治理最直接有效、最经济简单的工艺之一，在煤矿开采中被广泛使用[1-2]。但钻孔施工因地压、瓦斯、煤岩性质等诸多影响因素的情况不同，施工难易程度千差万别。淮北矿业股份有限公司芦岭煤矿属于受上述因素影响极为严重的矿井，特别是穿层钻孔，由于主采煤层为瓦斯压力大、含量高、透气性极低的强突煤层，再加上顶底板岩性易破碎遇水易膨胀，更是增加了钻孔施工的难度，喷孔现象时常发生，威胁了矿井的安全生产。因此，进行有效钻采卸压技术研究并应用于现场，对矿井瓦斯防治意义重大。

1 递进式钻采卸压技术原理

1.1 巷道周围应力裂隙分布规律

通常情况下，巷道附近应力的分布通常会形成卸压区、应力集中区和原始应力区，巷道周围的应力分布如图1所示。由于卸压区和塑性区域的岩体经受了较强应力的作用，超过了岩体的最大承受能力，形成岩体破裂带。在卸压区岩体处于破坏状态，靠巷道周围切向应力所产生的块体之间的摩擦阻力来维持稳定；在塑性区域内，岩体处于压缩变形的塑性阶段，在应力重新分布的影响下，内部裂隙产生新的具有一定方向性的裂隙弱面，由于这两区的岩体受到了强烈的应力作用，发生岩体的破坏与重组，通常只能承担部分集中应力[3]。在弹性变形区和原始应力区由于岩体没有受到强烈的破坏，内部所具有的裂隙仍以原生裂隙弱面为主，所以基本保持原始裂隙状[4]。

1-卸压区；2-应力集中区；3-塑性变形区；4-弹性变形区；5-原始应力区

图1 巷道周围应力分布

围岩破碎圈理论[5]认为：在岩体中开掘巷道，巷道周边会出现应力集中，如果围岩的应力小于岩体的强度，围岩将继续处于弹性状态；如果围岩的应力超过岩体的强度，围岩就会产生塑性变形；在塑性变形区内，靠近巷道周边，由于岩体的塑性流动，从而使得岩体内的应力降低，在其应力小于围岩的原始垂直应力时，巷道周边围岩将发生破碎[5]。

1.2 递进式钻抽卸压技术原理

钻孔开挖后，其周围的应力分布及变形类似于巷道周围卸压分布，笔者提出将钻孔近似小型巷道的数学模型进行分析研究，因此在钻孔周围同样存在四个区，即：破碎区、塑性区、弹性区、原岩应力区，其中塑性区为钻孔有效影响范围，其范围内的煤岩体应力变化和裂隙发育较剧烈，对煤体起到卸压的作用。在钻孔抽采过程中，煤体卸压并且裂隙扩展，增大了钻孔影响范围，通过实施大量钻孔，扩大钻孔的卸压范围，形成片区式卸压，进而实现区域瓦斯的抽采。但是，在高瓦斯低透气性特厚煤层钻孔抽采中，工艺实现非常困难。

（1）钻孔施工难度大，卡钻抱钻严重，很难实现一次性打穿煤层；

（2）钻孔喷孔严重，施工地点安全操作性低；

（3）施工投入大，耗时量大，影响瓦斯抽采和矿井生产进度。

基于以上缺点和不足，提出了递进式钻抽卸压技术原理：主要通过钻抽平行作业，采用临时抽采、往复多次扰动卸压等措施相结合的方式，有效扩大单孔卸压范围，相互影响和掩护，完成钻孔打穿煤层和安全高效操作，实现区域整体卸压抽采的目的。

2 钻抽卸压技术应用及分析

2.1 矿井概况

我矿设计年生产能力为240万t，目前产量稳定在200万t左右。主采煤层8、9、10煤均为突出煤层，其中尤以8、9煤最为严重，自建井以来共发生煤与瓦斯突出事故26次。8煤层厚度为2.3～15.94m，平均厚度9.56m，属于特厚煤层，9煤层位于8煤层下部，间距2～3 m，煤层厚度为0～9.82m，平均厚度3.01m。8、9煤层结构属于极其松软、破碎类型，煤层的坚固性系数平均在0.1～0.3之间，透气性系数仅为2.82×10-2m2/MPa2.d属极难抽采煤层，瓦斯放散初速度为13～30，大于突出临界值。-400m标高处（一水平下限标高）8、9煤层瓦斯压力为2.59MPa，煤层瓦斯含量为18.95m3/t；-400m～-590m标高范围（二水平）8、9煤层瓦斯压力为2.59～4.43MPa，煤层瓦斯含量为18.95～22.67m3/t；-590m～-800m标高范围（三水平）8、9煤层瓦斯压力为4.43～6.47MPa，煤层瓦斯含量为22.67～25.40m3/t。8、9煤具有典型的高压力、高含量、低透气性、强突出的这些特性，给瓦斯抽采治理带来相当大的困难。

2.2 实验设计和方法

选择在矿井穿层钻孔施工难度最大的II8210集中巷，该处接近Ⅱ水平底部标高为-560m，实测瓦斯压力3.1Mpa，穿层钻孔施工期间喷孔极其严重，该区段穿层钻孔受煤层瓦斯压力大、含量高、低透气性、强突出等诸多因素影响，喷孔极为严重。煤矿为了实现穿煤到顶板成功打钻，只有往复续、穿多趟，但是效果不佳，钻机月进尺仅在1500米左右，严重影响了穿层钻孔施工进度，造成该区段瓦斯治理工程严重滞后。

由于煤层透气性极低、区段走向较长，故该区段瓦斯治理工程巨大。同时考虑到该区域已经接近Ⅱ水平底部瓦斯压力大、瓦斯含量高，为保证机巷安全掘进机巷条带采用了加密布置，但大大增加该条巷道的穿层钻孔工程量。

由于煤层瓦斯压力大、含量高、煤层透气性性低、穿煤距离长等因素的影响，很多钻孔仍无法实现一次穿煤到顶，需要尽量将钻孔钻进至最大深度然后退出钻杆，下PE封孔管并连接至抽采系统，利用抽采系统大负压强抽瓦斯以卸压煤体，而钻机可以先施工相邻的钻孔。

在钻孔施工的过程中，为了有效的实现递进式卸压提高钻孔的施工效率，主要采用了以下方法：

（1）据钻孔排渣情况及时调整排渣速率，使钻进、排渣同步，以保证钻抽卸压的实现和效果。

（2）须提供瓦斯抽采系统的负压有效值（最小不得低于30Kpa），确保钻抽卸压、临时合茬强抽的效果，为递进式卸压的实现奠定基础。

（3）临时合茬须保证封孔质量，确保不漏气，在强抽期间，钻孔内水比较多，为保证强抽效果须及时进行放水。

2.3 防喷孔技术装置应用

根据现场实际，研制了能够连续钻进、出渣的钻抽卸压防喷孔装置。在钻孔孔口安装孔口器将之与抽采系统连接，通过负压和打钻压风动力的共同作用下将钻屑、瓦斯以及回风抽至一个气、渣分离期内，瓦斯通过抽采系统被抽走，钻屑经过喷雾湿润在自重的作用下实现气、渣分离，同时在气渣分离器内设置一个储渣室和排渣室，通过两室隔离借用压风压力作为动力将排渣室内的钻渣打至矿车中，从而实现喷孔可控和钻抽卸压。

3 结论

综上研究和应用可以得出结论如下：

（1） 提出了高瓦斯低透气性特厚煤层条件下的递进式钻抽卸压技术，分析钻孔周围卸压数学模型，揭示了递进式钻抽卸压原理；

（2） 通过采用该技术，大大提高了钻孔施工效率，施工效率提高60%以上，保证了措施孔正常进尺，区域瓦斯治理效率提高了近3倍；

（3） 研发了钻进防控孔技术及装置，有效控制了钻进中的由于喷孔导致的回风流瓦斯浓度高和煤屑喷溅等现象，保证了施工安全性和场地清洁。

参考文献

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.2

[2] 国家煤矿安全监察局.《防治煤与瓦斯突出规定》读本[M].北京：煤炭工业出版社，2009

[3] 林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998：51-73

[4] 胡殿明，林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.47-66

[5] 鲁岩，邹喜正，崔道品，于新峰.围岩破碎圈的理论分析与实践[J].辽宁工程技，2007，26（2）：219-221.