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(jī)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(guò)抽排煤層中的瓦斯，可以使具有突出危險(xiǎn)的煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量大幅度降低，使煤體內(nèi)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(yīng)力降低，煤體的透氣性增大，即煤體應(yīng)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(dǎo)致突出發(fā)生的主動(dòng)力和能量；同時(shí)，煤體中的瓦斯釋放后，煤體堅(jiān)固性系數(shù)提高，使得煤體的強(qiáng)度增大，這樣就增強(qiáng)了煤體的機(jī)械強(qiáng)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(yù)抽煤層瓦斯，可以從減弱煤層突出的主動(dòng)力和增強(qiáng)抵抗突出的能力兩個(gè)方面起到消除或消弱煤層突出危險(xiǎn)性的效果…。采用穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)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(duì)于松軟高瓦斯煤層，由于受煤層起伏、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯、煤層力學(xué)性質(zhì)、煤層厚度、鉆機(jī)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(dá)不到設(shè)計(jì)深度，致使采煤工作面經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)抽“空白區(qū)”，給回采帶來(lái)極大的突出威脅；另外，采用常規(guī)的封孔技術(shù)，由于封孔質(zhì)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(yù)抽“空白區(qū)”，如何提高封孔質(zhì)量、抽放效果，是松軟突出煤層亟待解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。筆者根據(jù)礦井瓦斯抽放實(shí)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(yù)抽或自然排放煤層瓦斯，能夠降低突出危險(xiǎn)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(yīng)力下降，煤層透氣系數(shù)增加和煤的強(qiáng)度提高等效應(yīng)，使被抽采瓦斯的煤體消除或減弱突出危險(xiǎn)性。施工采用杭州煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的SGz—EAl50型鉆機(jī)，淮南煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的73型麻花鉆桿和“一”字型鉆頭，系統(tǒng)壓縮風(fēng)配合鉆桿排屑，孔內(nèi)水霧滅塵——在鉆桿尾部用“三通管”將壓縮風(fēng)和帶壓水導(dǎo)入鉆桿，解決輔助排屑和滅塵問(wèn)題。采用這種設(shè)備和方法施工時(shí)，對(duì)于硬度大、地應(yīng)力較小的煤層施工效果較好；而對(duì)于煤層硬度小、地應(yīng)力大的煤層施工相當(dāng)困難。一般鉆孔深度超過(guò)10m就會(huì)出現(xiàn)噴孔、夾鉆、頂鉆、丟失鉆桿等現(xiàn)象，經(jīng)常造成瓦斯超限、鉆孔報(bào)廢等事故。2、順層長(zhǎng)煤孔施工困難的原因順層長(zhǎng)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(fēng)壓不穩(wěn)。壓縮風(fēng)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(jìn)入各采掘工作面。這樣，一個(gè)工作面的風(fēng)壓就會(huì)受到其他采區(qū)或工作面用風(fēng)量的影響。施工順層煤孔過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)壓大時(shí)，鉆孔排屑正常；當(dāng)風(fēng)壓突然減少時(shí)，鉆孔排屑不暢，造成堵孔。當(dāng)孔底風(fēng)壓達(dá)到一定高度后，會(huì)突然沖破堵塞鉆孔的煤粉，形成噴孔現(xiàn)象，將積聚在孔底的瓦斯在很短的時(shí)間內(nèi)帶出鉆孔，可能造成瓦斯超限。(2)孔內(nèi)滅塵水量控制不準(zhǔn)。采用孔口捕塵或巷道內(nèi)捕塵技術(shù)，一方面會(huì)影響鉆場(chǎng)環(huán)境，另一方面捕塵效果不好，對(duì)人體健康有較大危害。采用孔內(nèi)滅塵技術(shù)，存在一個(gè)水量控制的問(wèn)題，水量小時(shí)，會(huì)排出粉塵；水量大時(shí)，鉆孔排屑不暢，造成堵孔。當(dāng)孔底風(fēng)壓達(dá)到一定高度后，同樣會(huì)出現(xiàn)噴孔，造成瓦斯超限。(3)對(duì)鉆孔前方的應(yīng)力集中區(qū)認(rèn)識(shí)不清。巷道兩側(cè)及掘進(jìn)工作面在一定范圍內(nèi)存在一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，鉆孔進(jìn)人該區(qū)域后，排屑量、瓦斯涌出量明顯增大，鉆孔甚至?xí)蚰硞€(gè)方向漂移或錯(cuò)動(dòng)。如果對(duì)鉆孔前方的應(yīng)力集中區(qū)沒(méi)有認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)不清，鉆進(jìn)時(shí)仍按卸壓區(qū)的工藝進(jìn)行鉆進(jìn)，勢(shì)必會(huì)造成夾鉆、噴孔、丟失鉆桿等問(wèn)題。(4)如果鉆機(jī)固定不牢，鉆孔施工到一定深度后，會(huì)使鉆機(jī)軸線與鉆孔中心線不在一條線上。如果開孔質(zhì)量不高，剛打出的鉆孔中心線就不在鉆機(jī)軸線上，造成鉆孔扭力增大，影響鉆孔質(zhì)量、鉆進(jìn)深度和速度，甚至?xí)斐蓙G失鉆桿、報(bào)廢鉆孔等問(wèn)題。(5)鉆桿質(zhì)量不好，在加上鉆孔進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)后變形或漂移，會(huì)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(yán)重，螺母直徑變大，起鉆時(shí)，易拉脫節(jié)，丟失鉆桿。3、解決方法(1)在壓風(fēng)支管上安設(shè)風(fēng)包。在施工順層煤孔的工作面壓風(fēng)管路上，安設(shè)裝有壓力表的風(fēng)包，可以基本解決短時(shí)間風(fēng)壓忽大忽小的問(wèn)題，如果風(fēng)壓下降時(shí)間較長(zhǎng)，可以暫停鉆進(jìn)，但要保持鉆桿旋轉(zhuǎn)，以免夾鉆。待風(fēng)壓恢復(fù)后，再進(jìn)行鉆進(jìn)。(2)孔內(nèi)滅塵水量要調(diào)校準(zhǔn)確。既保證孔內(nèi)滅塵效果，又不會(huì)因水量過(guò)大造成鉆屑堵孔，水量的大小，主要是根據(jù)多次觀察的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。要在孔外調(diào)校水量，因?yàn)榭變?nèi)調(diào)節(jié)水量存在很大的盲目性，原則上要予以杜絕。(3)通過(guò)觀察瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力的大小來(lái)確定應(yīng)力集中區(qū)的范圍。當(dāng)孔內(nèi)瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力增大時(shí)，可以確定鉆孔進(jìn)入了應(yīng)力集中區(qū)。在應(yīng)力集中區(qū)鉆進(jìn)時(shí)要放慢鉆進(jìn)速度，保持瓦斯涌出量、鉆屑量和鉆桿扭力與卸壓區(qū)的數(shù)值基本相等，必要時(shí)前后拉動(dòng)鉆桿，直到鉆孔周圍應(yīng)力基本釋放完畢、孔壁成型為止。鉆孔穿過(guò)應(yīng)力集中區(qū)后，上述指標(biāo)就會(huì)趨于正常，可以適當(dāng)加快鉆進(jìn)速度，但其速度應(yīng)控制在卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)之間。(4)鉆機(jī)固定要牢，開孑L質(zhì)量要提高。鉆機(jī)要有地宮盤，必要時(shí)墊上厚度不小于100nHn的木板，保持機(jī)座平穩(wěn)。鉆機(jī)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(zhì)量良好，不得漏液。開孑L位置必須在立軸的軸線上，必要時(shí)采用木板或鋼板導(dǎo)向。開口鉆進(jìn)速度要慢，直到鉆孔質(zhì)量符合要求后，再加壓正常鉆進(jìn)。(5)鉆桿質(zhì)量要符合有關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，材質(zhì)低劣或加工粗糙的鉆桿堅(jiān)決不能使用，否則將會(huì)帶來(lái)很大的損失。(6)提高鉆機(jī)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(jī)，這樣可以加大鉆孔深度，減少夾鉆、丟失鉆桿的概率。嚴(yán)格按上述六個(gè)方面的解決方法施工，順層長(zhǎng)煤孔孔深達(dá)到60m以上是完全可以的，不僅減少了報(bào)廢孔數(shù)，縮短了施工時(shí)間，而且促進(jìn)了煤巷掘進(jìn)單進(jìn)水平的提高，對(duì)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(shí)間鉆孔封孔質(zhì)量直接影響抽放效果，由于順層長(zhǎng)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(xiàn)漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致抽放負(fù)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(zhì)量和封孔后能夠及時(shí)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(zhì)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(jìn)進(jìn)尺及保證消突，必須確定合理的抽采時(shí)間。運(yùn)用壓力法在1252(1)運(yùn)輸順槽考察抽放半徑，發(fā)現(xiàn)抽放時(shí)間3d有效抽放半徑為2m；為此，鉆場(chǎng)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(yīng)用效果（1）防治煤與瓦斯突出效果在大直徑順層鉆孔實(shí)施過(guò)程中，一般在鉆場(chǎng)和迎頭施工的第1個(gè)鉆孔總排屑量較大，一般在10t以上，第1個(gè)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(guò)統(tǒng)計(jì)分析，1茬順層長(zhǎng)鉆孔的總排屑量約為81t。在1茬順層長(zhǎng)鉆孔控制的消突單元內(nèi)，根據(jù)煤層賦存情況儲(chǔ)量一般為6000～7500t，按照最大儲(chǔ)量7500t計(jì)算，每茬順層長(zhǎng)鉆孔排屑量占到了消突單元儲(chǔ)量的1．1％，依據(jù)保護(hù)層煤體膨脹變形率經(jīng)驗(yàn)臨界值為0．1％～0．3％，說(shuō)明大直徑順層鉆孔起到了卸壓消突的效果。根據(jù)對(duì)11—2煤層巷道跟蹤測(cè)定的原煤瓦斯含量為3．63～7．13m3／t，多數(shù)在5．5～6．5m3／t，考察大直徑順層鉆孔措施大循環(huán)75個(gè)，抽放時(shí)間一般為3d左右，預(yù)抽后殘存瓦斯含量實(shí)測(cè)值2．04—3．78m3／t，抽放率基本達(dá)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(jìn)工作面采用大直徑順層抽放鉆孔消突技術(shù)后，采用指標(biāo)S和q進(jìn)行防突效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)孔3個(gè)。其中沿巷道中線方向1個(gè)，孔深lOm；巷道兩幫距中線1．5m各1個(gè)，終孔位于巷道輪廓線外2～4m，孔深lOm。檢驗(yàn)指標(biāo)臨界值根據(jù)《防突細(xì)則》確定：s一=6kg／m，q…=41．／rain。若迎頭效檢鉆屑量S…超過(guò)臨界值，則采取迎頭施工排放鉆孔的補(bǔ)充消突措施；若鉆孔瓦斯涌出初速度g…超過(guò)臨界值，則采取迎頭施工抽采鉆孔的補(bǔ)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(fēng)流瓦斯?jié)舛葘?shí)施大直徑順層長(zhǎng)鉆孔措施后，一般連續(xù)抽放1—3d，抽排總量將達(dá)到大循環(huán)評(píng)價(jià)單元的30％以上，同時(shí)由于鉆場(chǎng)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(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，有效地減少了瓦斯超限現(xiàn)象。（3）順層長(zhǎng)鉆孔的前探作用長(zhǎng)鉆孔能有效地控制工作面前方斷層等地質(zhì)情況，有利于及時(shí)準(zhǔn)確地采取針對(duì)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(chǎn)過(guò)程來(lái)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(dǎo)，但三維地震資料難以分辨出落差為3m以下的斷層及其準(zhǔn)確位置。6、提高順層鉆孔的抽放質(zhì)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(lián)網(wǎng)抽放后，其抽放質(zhì)量主要取決于鉆孔的封孔質(zhì)量。突出煤層一般煤質(zhì)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(zhì)量。若封孔質(zhì)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(shí)為提高抽放效果，還需補(bǔ)打鉆孔，這也增加了生產(chǎn)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(xì)則》規(guī)定的6m提高到8m)，由此可見(jiàn)封孔的重要性。通過(guò)提高鉆孔的封孔深度和封孔質(zhì)量可以有效提高鉆孔的抽放質(zhì)量。在鉆孔抽放期間，通過(guò)對(duì)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(shù)1．1鉆孔開口鉆機(jī)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(tái)階狀、彎曲狀鉆孔。1．2封孔工藝(1)封孔長(zhǎng)度。順層抽放鉆孔封孔長(zhǎng)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(nèi)的煤粉必須用壓風(fēng)清掃干凈，無(wú)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(nèi)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(yán)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(zhǎng)度大于封孔長(zhǎng)度0．5m以上。1．3聚氨酯封孔規(guī)定(I)封孔用布?？墒褂迷〗?、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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhǎng)度要適當(dāng)加大。(5)配藥。立固安封孔必須嚴(yán)格按照1：1的比例配比，現(xiàn)場(chǎng)必須有與配藥量相適應(yīng)的量具。(6)纏布上藥與卷布。將封孔布的長(zhǎng)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(shí)必須保證布面的平整。1．4特殊地段的封孔根據(jù)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(nèi)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(guò)壓風(fēng)將水泥砂漿經(jīng)12j18mm膠管注入孑L內(nèi)，見(jiàn)孔口管出漿，封孔結(jié)束；②小于一5。的下向孔，先在距封孔管前端0．3m處加1個(gè)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(nèi)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(nèi)通過(guò)壓風(fēng)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|(zhì)量不穩(wěn)定，發(fā)泡凝固時(shí)間不超過(guò)1rain，使用前未進(jìn)行樣品質(zhì)量檢驗(yàn)；②用聚氨酯井下封孔操作不規(guī)范，黑白2種藥配比未嚴(yán)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(zhǎng)度小，多數(shù)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(huì)出現(xiàn)漏氣。低濃度鉆孔普遍是漏氣所致。因此集中對(duì)鉆孔進(jìn)行了單孔瓦斯?jié)舛葴y(cè)試，封孔時(shí)沒(méi)有設(shè)置測(cè)嘴的鉆孔，采取在連接軟管上打孔，安設(shè)測(cè)嘴的措施?？偣矞y(cè)試105個(gè)鉆孔，濃度小于30％的孔占50％以上，單孔計(jì)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(shù)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(cè)試效果不理想，用注漿堵孔法進(jìn)行了試驗(yàn)，由于掏孔困難，未能繼續(xù)進(jìn)行。(2)打孔堵漏。在漏氣孔兩側(cè)100mm左右，用煤電鉆打2個(gè)與原來(lái)鉆孔平行的孔，f2j42mm、孔深2—3m，在孔內(nèi)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(xiàn)水泡時(shí)應(yīng)停止注漿。為了查清堵漏效果，對(duì)堵漏鉆孔進(jìn)