松軟煤層順層鉆孔分析

1、穿層鉆孔抽放煤層瓦斯的防突作用機理煤層抽放鉆孔的施工，造成了鉆孔周圍煤層的局部卸壓；通過抽排煤層中的瓦斯，可以使具有突出危險的煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量大幅度降低，使煤體內的瓦斯?jié)撃艿玫结尫挪⒔档?；瓦斯的排放可以引起煤層的收縮變形，使煤體的應力降低，煤體的透氣性增大，即煤體應力的下降也使煤層中的潛能得到釋放。這些都在不同程度上降低了導致突出發(fā)生的主動力和能量；同時，煤體中的瓦斯釋放后，煤體堅固性系數提高，使得煤體的強度增大，這樣就增強了煤體的機械強度和煤體的穩(wěn)定性，使得發(fā)生煤與瓦斯突出的阻力增大。鉆孔預抽煤層瓦斯，可以從減弱煤層突出的主動力和增強抵抗突出的能力兩個方面起到消除或消弱煤層突出危險性的效果…。采用穿層鉆孔或順層鉆孔預抽煤層瓦斯是突出煤層回采工作面一種重要的區(qū)域防突措施。對于松軟高瓦斯煤層，由于受煤層起伏、地質構造、煤層瓦斯、煤層力學性質、煤層厚度、鉆機具能力、施工工藝等因素影響，在順層鉆孔施工中，鉆孔深度往往達不到設計深度，致使采煤工作面經常出現預抽“空白區(qū)”，給回采帶來極大的突出威脅；另外，采用常規(guī)的封孔技術，由于封孔質量難以保證，瓦斯抽放濃度一般偏低，影響瓦斯抽放和防突效果。因此，如何提高鉆孔施工深度和成孔率，消除回采工作面順層預抽“空白區(qū)”，如何提高封孔質量、抽放效果，是松軟突出煤層亟待解決的兩個關鍵問題。筆者根據礦井瓦斯抽放實踐，介紹了提高鉆孔施工和抽放效果的新裝備、新工藝和新方法。順層鉆孔預抽或自然排放煤層瓦斯，能夠降低突出危險煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量，并由此引起煤層收縮變形，地應力下降，煤層透氣系數增加和煤的強度提高等效應，使被抽采瓦斯的煤體消除或減弱突出危險性。施工采用杭州煤礦機械廠生產的SGz—EAl50型鉆機，淮南煤礦機械廠生產的73型麻花鉆桿和“一”字型鉆頭，系統(tǒng)壓縮風配合鉆桿排屑，孔內水霧滅塵——在鉆桿尾部用“三通管”將壓縮風和帶壓水導入鉆桿，解決輔助排屑和滅塵問題。采用這種設備和方法施工時，對于硬度大、地應力較小的煤層施工效果較好；而對于煤層硬度小、地應力大的煤層施工相當困難。一般鉆孔深度超過10m就會出現噴孔、夾鉆、頂鉆、丟失鉆桿等現象，經常造成瓦斯超限、鉆孔報廢等事故。2、順層長煤孔施工困難的原因順層長煤孔施工困難主要是由于以下幾方面的原因造成的：(1)系統(tǒng)風壓不穩(wěn)。壓縮風主干管到各采區(qū)后，分成采區(qū)支于管，支干管又被分成許多分支進入各采掘工作面。這樣，一個工作面的風壓就會受到其他采區(qū)或工作面用風量的影響。施工順層煤孔過程中，當風壓大時，鉆孔排屑正常；當風壓突然減少時，鉆孔排屑不暢，造成堵孔。當孔底風壓達到一定高度后，會突然沖破堵塞鉆孔的煤粉，形成噴孔現象，將積聚在孔底的瓦斯在很短的時間內帶出鉆孔，可能造成瓦斯超限。(2)孔內滅塵水量控制不準。采用孔口捕塵或巷道內捕塵技術，一方面會影響鉆場環(huán)境，另一方面捕塵效果不好，對人體健康有較大危害。采用孔內滅塵技術，存在一個水量控制的問題，水量小時，會排出粉塵；水量大時，鉆孔排屑不暢，造成堵孔。當孔底風壓達到一定高度后，同樣會出現噴孔，造成瓦斯超限。(3)對鉆孔前方的應力集中區(qū)認識不清。巷道兩側及掘進工作面在一定范圍內存在一個應力集中區(qū)域，鉆孔進人該區(qū)域后，排屑量、瓦斯涌出量明顯增大，鉆孔甚至會向某個方向漂移或錯動。如果對鉆孔前方的應力集中區(qū)沒有認識或認識不清，鉆進時仍按卸壓區(qū)的工藝進行鉆進，勢必會造成夾鉆、噴孔、丟失鉆桿等問題。(4)如果鉆機固定不牢，鉆孔施工到一定深度后，會使鉆機軸線與鉆孔中心線不在一條線上。如果開孔質量不高，剛打出的鉆孔中心線就不在鉆機軸線上，造成鉆孔扭力增大，影響鉆孔質量、鉆進深度和速度，甚至會造成丟失鉆桿、報廢鉆孔等問題。(5)鉆桿質量不好，在加上鉆孔進入應力集中區(qū)后變形或漂移，會造成鉆孔變彎，鉆桿扭力增大。一套鉆桿用2—3次后，接頭處變形嚴重，螺母直徑變大，起鉆時，易拉脫節(jié)，丟失鉆桿。3、解決方法(1)在壓風支管上安設風包。在施工順層煤孔的工作面壓風管路上，安設裝有壓力表的風包，可以基本解決短時間風壓忽大忽小的問題，如果風壓下降時間較長，可以暫停鉆進，但要保持鉆桿旋轉，以免夾鉆。待風壓恢復后，再進行鉆進。(2)孔內滅塵水量要調校準確。既保證孔內滅塵效果，又不會因水量過大造成鉆屑堵孔，水量的大小，主要是根據多次觀察的經驗來決定。要在孔外調校水量，因為孔內調節(jié)水量存在很大的盲目性，原則上要予以杜絕。(3)通過觀察瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力的大小來確定應力集中區(qū)的范圍。當孔內瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力增大時，可以確定鉆孔進入了應力集中區(qū)。在應力集中區(qū)鉆進時要放慢鉆進速度，保持瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力與卸壓區(qū)的數值基本相等，必要時前后拉動鉆桿，直到鉆孔周圍應力基本釋放完畢、孔壁成型為止。鉆孔穿過應力集中區(qū)后，上述指標就會趨于正常，可以適當加快鉆進速度，但其速度應控制在卸壓區(qū)和應力集中區(qū)之間。(4)鉆機固定要牢，開孑L質量要提高。鉆機要有地宮盤，必要時墊上厚度不小于100nHn的木板，保持機座平穩(wěn)。鉆機前后地宮盤上要打四根單體液壓支柱，支柱初撐力一般不小于50kN。支柱質量良好，不得漏液。開孑L位置必須在立軸的軸線上，必要時采用木板或鋼板導向。開口鉆進速度要慢，直到鉆孔質量符合要求后，再加壓正常鉆進。(5)鉆桿質量要符合有關質量標準要求，材質低劣或加工粗糙的鉆桿堅決不能使用，否則將會帶來很大的損失。(6)提高鉆機能力。施工順層煤孔，在條件允許的情況下，盡可能選用大功率鉆機，這樣可以加大鉆孔深度，減少夾鉆、丟失鉆桿的概率。嚴格按上述六個方面的解決方法施工，順層長煤孔孔深達到60m以上是完全可以的，不僅減少了報廢孔數，縮短了施工時間，而且促進了煤巷掘進單進水平的提高，對突出煤層局部消突具有重大意義。4．封孔方法和深度及抽采時間鉆孔封孔質量直接影響抽放效果，由于順層長鉆孔開孔在煤層卸壓段，裂隙較為發(fā)育，如封孔效果不佳，容易出現漏氣現象，導致抽放負壓降低而影響抽放效果。由于施工的抽放鉆孔為近水平孔，為保證封孔質量和封孔后能夠及時合茬抽放，采用聚胺脂藥液法封孔是最為理想的封孔方法。封孔深度6m以上，封孔管為直徑40mm的硬質抗靜電塑料管，管外露200—300mm。為了緩解采掘接替緊張局面、提高掘進進尺及保證消突，必須確定合理的抽采時間。運用壓力法在1252(1)運輸順槽考察抽放半徑，發(fā)現抽放時間3d有效抽放半徑為2m；為此，鉆場鉆孔采取3d不間斷抽放，迎頭鉆孔采區(qū)不少于24h不間斷抽放。5、應用效果（1）防治煤與瓦斯突出效果在大直徑順層鉆孔實施過程中，一般在鉆場和迎頭施工的第1個鉆孔總排屑量較大，一般在10t以上，第1個孔施工完畢合茬抽放后，其他鉆孔的施工中總排屑量明顯減小。通過統(tǒng)計分析，1茬順層長鉆孔的總排屑量約為81t。在1茬順層長鉆孔控制的消突單元內，根據煤層賦存情況儲量一般為6000～7500t，按照最大儲量7500t計算，每茬順層長鉆孔排屑量占到了消突單元儲量的1．1％，依據保護層煤體膨脹變形率經驗臨界值為0．1％～0．3％，說明大直徑順層鉆孔起到了卸壓消突的效果。根據對11—2煤層巷道跟蹤測定的原煤瓦斯含量為3．63～7．13m3／t，多數在5．5～6．5m3／t，考察大直徑順層鉆孔措施大循環(huán)75個，抽放時間一般為3d左右，預抽后殘存瓦斯含量實測值2．04—3．78m3／t，抽放率基本達到30％以上(減去1．5m3／t的不可解吸瓦斯量之后)，證明了大直徑順層鉆孔的抽放效果明顯。掘進工作面采用大直徑順層抽放鉆孔消突技術后，采用指標S和q進行防突效果檢驗，檢驗孔3個。其中沿巷道中線方向1個，孔深lOm；巷道兩幫距中線1．5m各1個，終孔位于巷道輪廓線外2～4m，孔深lOm。檢驗指標臨界值根據《防突細則》確定：s一=6kg／m，q…=41．／rain。若迎頭效檢鉆屑量S…超過臨界值，則采取迎頭施工排放鉆孔的補充消突措施；若鉆孔瓦斯涌出初速度g…超過臨界值，則采取迎頭施工抽采鉆孔的補充消突措施，迎頭排放鉆孔和抽采鉆孔布置模式相同。（2）降低了回風流瓦斯?jié)舛葘嵤┐笾睆巾槍娱L鉆孔措施后，一般連續(xù)抽放1—3d，抽排總量將達到大循環(huán)評價單元的30％以上，同時由于鉆場鉆孔攔截了部分巷道周邊煤體涌入巷道的瓦斯，大大降低了風流中的瓦斯?jié)舛?，有效地減少了瓦斯超限現象。（3）順層長鉆孔的前探作用長鉆孔能有效地控制工作面前方斷層等地質情況，有利于及時準確地采取針對性的防突措施，避免瓦斯突出事故的發(fā)生。從淮南礦區(qū)以往的生產過程來看，落差在0．8m以上的斷層附近瓦斯涌出明顯異常，雖然有三維地震資料作指導，但三維地震資料難以分辨出落差為3m以下的斷層及其準確位置。6、提高順層鉆孔的抽放質量的方法抽放鉆孔的抽放效果主要取決于煤層的透氣性，而鉆孔一旦施工完畢并聯網抽放后，其抽放質量主要取決于鉆孔的封孔質量。突出煤層一般煤質松軟，除了透氣性低，造成鉆孔瓦斯?jié)舛鹊?、流量衰減快外，封孔深度也決定了瓦斯抽放質量。若封孔質量差，則容易造成鉆孔漏氣，影響鉆孔的抽放濃度和抽放壽命，同時為提高抽放效果，還需補打鉆孔，這也增加了生產成本。在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》頒布執(zhí)行后，明確規(guī)定了順層抽放鉆孔的封孔深度(由《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定的6m提高到8m)，由此可見封孔的重要性。通過提高鉆孔的封孔深度和封孔質量可以有效提高鉆孔的抽放質量。在鉆孔抽放期間，通過對漏氣鉆孔的檢查和堵漏，能使抽放濃度和百米鉆孔抽放量再次提高。1封孔技術1．1鉆孔開口鉆機開孔，必須保證煤孔前10m的鉆孔成型，不得在開孔段形成傘檐狀、臺階狀、彎曲狀鉆孔。1．2封孔工藝(1)封孔長度。順層抽放鉆孔封孔長度不少于8m，Ⅲ類、Ⅳ類煤的抽放鉆孔不得少于9m。(2)清孔。封孔前，封孔段內的煤粉必須用壓風清掃干凈，無法清掃干凈的必須用掏勺掏凈}下向孔積水至孔口的鉆孔，孔口以下12m范圍內的水必須排出。(3)封孔管材。975—89mm孔用a25mm的鐵管封孔；囝89—110mm孔用a38mm的鐵管封孔；f2j110mm以上孔用f2j50mm的鐵管封孔。嚴禁使用PVC塑料管封孔(封孔劑發(fā)熱，易造成PVC塑料管變形，直徑變小)。封孔管長度大于封孔長度0．5m以上。1．3聚氨酯封孔規(guī)定(I)封孔用布。可使用浴巾、麻袋布或稀棉布封孔。要求布面要規(guī)則，密度一致，不能有破損或油膩。布的規(guī)格不小于1．0m×0．8m。(2)纏布用藥位置。纏布位置的里端距封孔管里口0．4—0．5m，全長用藥，藥卷兩端要加略大于鉆孔直徑的橡膠擋板。(3)封孔管必須在封孔段兩端焊接5～10mm高的擋頭，防止封孔材料因固定不牢向外滑移。(4)用藥標準。989mm以下，每孔用量5kg；a89—110mm，每孔用量7kg；9110mm以上，每孔用量9kg。隨著藥量的增加，封孔布的長度要適當加大。(5)配藥。立固安封孔必須嚴格按照1：1的比例配比，現場必須有與配藥量相適應的量具。(6)纏布上藥與卷布。將封孔布的長端用繩扎在封孔管上，藥兌好后，攪拌均勻待藥變白或變黃后開始均勻平抹全布，卷布時必須保證布面的平整。1．4特殊地段的封孔根據鉆孔的不同傾角可分別采用以下3種封孔方式：①大于10。的上向孔，下好封孔管后，先將孔口內放入1根乃18mm膠管，再用混凝土將孔口封堵300—500mm，然后用鉆孔封孑L器，通過壓風將水泥砂漿經12j18mm膠管注入孑L內，見孔口管出漿，封孔結束；②小于一5。的下向孔，先在距封孔管前端0．3m處加1個略大于鉆孔孔徑的橡膠擋板，并纏棉紗，下到封孔位置后，向鉆孔內直接注水泥砂漿，待水泥砂漿脫水后，孔口再用半干的水泥砂子填充至封口；③封一50—lo。的鉆孔，先將帶擋板的封孔管下到封孔位置，再用鉆孔封孔器向鉆孔內通過壓風直接噴射水泥砂漿(水泥、砂子配比為1：1)，直到孔口為止。2漏氣鉆孔的檢查和堵漏工藝2．1抽放鉆孔瓦斯?jié)舛鹊偷脑蚍治鲈斐沙榉陪@孔瓦斯?jié)舛鹊偷闹饕蛴校孩倬郯滨ベ|量不穩(wěn)定，發(fā)泡凝固時間不超過1rain，使用前未進行樣品質量檢驗；②用聚氨酯井下封孔操作不規(guī)范，黑白2種藥配比未嚴格量化，攪拌不均勻，布料不合適等；③煤層裂隙發(fā)育連通性好，鉆孑L封孔段前后皆有裂隙存在，具備良好的透氣條件；④封孔長度小，多數孔封孔不到8m。還有部分孔僅有6m。2．2漏氣孔的檢查鉆孔封孔后，由于各種原因往往有的孔會出現漏氣。低濃度鉆孔普遍是漏氣所致。因此集中對鉆孔進行了單孔瓦斯?jié)舛葴y試，封孔時沒有設置測嘴的鉆孔，采取在連接軟管上打孔，安設測嘴的措施?？偣矞y試105個鉆孔，濃度小于30％的孔占50％以上，單孔計算漏氣率50％一90％。抽放瓦斯?jié)舛鹊捅仨氁鸶叨戎匾暋?．3堵漏技術和工藝(1)掏孔堵漏。將漏氣孔孔口原封孔材料(聚氨酯)掏出500mm，直接用水泥砂漿塞堵孔口或注漿堵孔。直接用水泥砂漿塞堵孔口，測試效果不理想，用注漿堵孔法進行了試驗，由于掏孔困難，未能繼續(xù)進行。(2)打孔堵漏。在漏氣孔兩側100mm左右，用煤電鉆打2個與原來鉆孔平行的孔，f2j42mm、孔深2—3m，在孔內插入纏有棉布的鋼管，鋼管外段固定在支架上，采用帶壓注漿，注漿壓力在1MPa以下，注漿速度不宜太快，煤壁出現水泡時應停止注漿。為了查清堵漏效果，對堵漏鉆孔進