松软煤层顺层钻孔分析

1、穿层钻孔抽放煤层瓦斯的防突作用机理煤层抽放钻孔的施工，造成了钻孔周围煤层的局部卸压；通过抽排煤层中的瓦斯，可以使具有突出危险的煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大幅度降低，使煤体内的瓦斯潜能得到释放并降低；瓦斯的排放可以引起煤层的收缩变形，使煤体的应力降低，煤体的透气性增大，即煤体应力的下降也使煤层中的潜能得到释放。这些都在不同程度上降低了导致突出发生的主动力和能量；同时，煤体中的瓦斯释放后，煤体坚固性系数提高，使得煤体的强度增大，这样就增强了煤体的机械强度和煤体的稳定性，使得发生煤与瓦斯突出的阻力增大。钻孔预抽煤层瓦斯，可以从减弱煤层突出的主动力和增强抵抗突出的能力两个方面起到消除或消弱煤层突出危险性的效果…。采用穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯是突出煤层回采工作面一种重要的区域防突措施。对于松软高瓦斯煤层，由于受煤层起伏、地质构造、煤层瓦斯、煤层力学性质、煤层厚度、钻机具能力、施工工艺等因素影响，在顺层钻孔施工中，钻孔深度往往达不到设计深度，致使采煤工作面经常出现预抽“空白区”，给回采带来极大的突出威胁；另外，采用常规的封孔技术，由于封孔质量难以保证，瓦斯抽放浓度一般偏低，影响瓦斯抽放和防突效果。因此，如何提高钻孔施工深度和成孔率，消除回采工作面顺层预抽“空白区”，如何提高封孔质量、抽放效果，是松软突出煤层亟待解决的两个关键问题。笔者根据矿井瓦斯抽放实践，介绍了提高钻孔施工和抽放效果的新装备、新工艺和新方法。顺层钻孔预抽或自然排放煤层瓦斯，能够降低突出危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层收缩变形，地应力下降，煤层透气系数增加和煤的强度提高等效应，使被抽采瓦斯的煤体消除或减弱突出危险性。施工采用杭州煤矿机械厂生产的SGz—EAl50型钻机，淮南煤矿机械厂生产的73型麻花钻杆和“一”字型钻头，系统压缩风配合钻杆排屑，孔内水雾灭尘——在钻杆尾部用“三通管”将压缩风和带压水导入钻杆，解决辅助排屑和灭尘问题。采用这种设备和方法施工时，对于硬度大、地应力较小的煤层施工效果较好；而对于煤层硬度小、地应力大的煤层施工相当困难。一般钻孔深度超过10m就会出现喷孔、夹钻、顶钻、丢失钻杆等现象，经常造成瓦斯超限、钻孔报废等事故。2、顺层长煤孔施工困难的原因顺层长煤孔施工困难主要是由于以下几方面的原因造成的：(1)系统风压不稳。压缩风主干管到各采区后，分成采区支于管，支干管又被分成许多分支进入各采掘工作面。这样，一个工作面的风压就会受到其他采区或工作面用风量的影响。施工顺层煤孔过程中，当风压大时，钻孔排屑正常；当风压突然减少时，钻孔排屑不畅，造成堵孔。当孔底风压达到一定高度后，会突然冲破堵塞钻孔的煤粉，形成喷孔现象，将积聚在孔底的瓦斯在很短的时间内带出钻孔，可能造成瓦斯超限。(2)孔内灭尘水量控制不准。采用孔口捕尘或巷道内捕尘技术，一方面会影响钻场环境，另一方面捕尘效果不好，对人体健康有较大危害。采用孔内灭尘技术，存在一个水量控制的问题，水量小时，会排出粉尘；水量大时，钻孔排屑不畅，造成堵孔。当孔底风压达到一定高度后，同样会出现喷孔，造成瓦斯超限。(3)对钻孔前方的应力集中区认识不清。巷道两侧及掘进工作面在一定范围内存在一个应力集中区域，钻孔进人该区域后，排屑量、瓦斯涌出量明显增大，钻孔甚至会向某个方向漂移或错动。如果对钻孔前方的应力集中区没有认识或认识不清，钻进时仍按卸压区的工艺进行钻进，势必会造成夹钻、喷孔、丢失钻杆等问题。(4)如果钻机固定不牢，钻孔施工到一定深度后，会使钻机轴线与钻孔中心线不在一条线上。如果开孔质量不高，刚打出的钻孔中心线就不在钻机轴线上，造成钻孔扭力增大，影响钻孔质量、钻进深度和速度，甚至会造成丢失钻杆、报废钻孔等问题。(5)钻杆质量不好，在加上钻孔进入应力集中区后变形或漂移，会造成钻孔变弯，钻杆扭力增大。一套钻杆用2—3次后，接头处变形严重，螺母直径变大，起钻时，易拉脱节，丢失钻杆。3、解决方法(1)在压风支管上安设风包。在施工顺层煤孔的工作面压风管路上，安设装有压力表的风包，可以基本解决短时间风压忽大忽小的问题，如果风压下降时间较长，可以暂停钻进，但要保持钻杆旋转，以免夹钻。待风压恢复后，再进行钻进。(2)孔内灭尘水量要调校准确。既保证孔内灭尘效果，又不会因水量过大造成钻屑堵孔，水量的大小，主要是根据多次观察的经验来决定。要在孔外调校水量，因为孔内调节水量存在很大的盲目性，原则上要予以杜绝。(3)通过观察瓦斯涌出量、钻屑量和钻杆扭力的大小来确定应力集中区的范围。当孔内瓦斯涌出量、钻屑量和钻杆扭力增大时，可以确定钻孔进入了应力集中区。在应力集中区钻进时要放慢钻进速度，保持瓦斯涌出量、钻屑量和钻杆扭力与卸压区的数值基本相等，必要时前后拉动钻杆，直到钻孔周围应力基本释放完毕、孔壁成型为止。钻孔穿过应力集中区后，上述指标就会趋于正常，可以适当加快钻进速度，但其速度应控制在卸压区和应力集中区之间。(4)钻机固定要牢，开孑L质量要提高。钻机要有地宫盘，必要时垫上厚度不小于100nHn的木板，保持机座平稳。钻机前后地宫盘上要打四根单体液压支柱，支柱初撑力一般不小于50kN。支柱质量良好，不得漏液。开孑L位置必须在立轴的轴线上，必要时采用木板或钢板导向。开口钻进速度要慢，直到钻孔质量符合要求后，再加压正常钻进。(5)钻杆质量要符合有关质量标准要求，材质低劣或加工粗糙的钻杆坚决不能使用，否则将会带来很大的损失。(6)提高钻机能力。施工顺层煤孔，在条件允许的情况下，尽可能选用大功率钻机，这样可以加大钻孔深度，减少夹钻、丢失钻杆的概率。严格按上述六个方面的解决方法施工，顺层长煤孔孔深达到60m以上是完全可以的，不仅减少了报废孔数，缩短了施工时间，而且促进了煤巷掘进单进水平的提高，对突出煤层局部消突具有重大意义。4．封孔方法和深度及抽采时间钻孔封孔质量直接影响抽放效果，由于顺层长钻孔开孔在煤层卸压段，裂隙较为发育，如封孔效果不佳，容易出现漏气现象，导致抽放负压降低而影响抽放效果。由于施工的抽放钻孔为近水平孔，为保证封孔质量和封孔后能够及时合茬抽放，采用聚胺脂药液法封孔是最为理想的封孔方法。封孔深度6m以上，封孔管为直径40mm的硬质抗静电塑料管，管外露200—300mm。为了缓解采掘接替紧张局面、提高掘进进尺及保证消突，必须确定合理的抽采时间。运用压力法在1252(1)运输顺槽考察抽放半径，发现抽放时间3d有效抽放半径为2m；为此，钻场钻孔采取3d不间断抽放，迎头钻孔采区不少于24h不间断抽放。5、应用效果（1）防治煤与瓦斯突出效果在大直径顺层钻孔实施过程中，一般在钻场和迎头施工的第1个钻孔总排屑量较大，一般在10t以上，第1个孔施工完毕合茬抽放后，其他钻孔的施工中总排屑量明显减小。通过统计分析，1茬顺层长钻孔的总排屑量约为81t。在1茬顺层长钻孔控制的消突单元内，根据煤层赋存情况储量一般为6000～7500t，按照最大储量7500t计算，每茬顺层长钻孔排屑量占到了消突单元储量的1．1％，依据保护层煤体膨胀变形率经验临界值为0．1％～0．3％，说明大直径顺层钻孔起到了卸压消突的效果。根据对11—2煤层巷道跟踪测定的原煤瓦斯含量为3．63～7．13m3／t，多数在5．5～6．5m3／t，考察大直径顺层钻孔措施大循环75个，抽放时间一般为3d左右，预抽后残存瓦斯含量实测值2．04—3．78m3／t，抽放率基本达到30％以上(减去1．5m3／t的不可解吸瓦斯量之后)，证明了大直径顺层钻孔的抽放效果明显。掘进工作面采用大直径顺层抽放钻孔消突技术后，采用指标S和q进行防突效果检验，检验孔3个。其中沿巷道中线方向1个，孔深lOm；巷道两帮距中线1．5m各1个，终孔位于巷道轮廓线外2～4m，孔深lOm。检验指标临界值根据《防突细则》确定：s一=6kg／m，q…=41．／rain。若迎头效检钻屑量S…超过临界值，则采取迎头施工排放钻孔的补充消突措施；若钻孔瓦斯涌出初速度g…超过临界值，则采取迎头施工抽采钻孔的补充消突措施，迎头排放钻孔和抽采钻孔布置模式相同。（2）降低了回风流瓦斯浓度实施大直径顺层长钻孔措施后，一般连续抽放1—3d，抽排总量将达到大循环评价单元的30％以上，同时由于钻场钻孔拦截了部分巷道周边煤体涌入巷道的瓦斯，大大降低了风流中的瓦斯浓度，有效地减少了瓦斯超限现象。（3）顺层长钻孔的前探作用长钻孔能有效地控制工作面前方断层等地质情况，有利于及时准确地采取针对性的防突措施，避免瓦斯突出事故的发生。从淮南矿区以往的生产过程来看，落差在0．8m以上的断层附近瓦斯涌出明显异常，虽然有三维地震资料作指导，但三维地震资料难以分辨出落差为3m以下的断层及其准确位置。6、提高顺层钻孔的抽放质量的方法抽放钻孔的抽放效果主要取决于煤层的透气性，而钻孔一旦施工完毕并联网抽放后，其抽放质量主要取决于钻孔的封孔质量。突出煤层一般煤质松软，除了透气性低，造成钻孔瓦斯浓度低、流量衰减快外，封孔深度也决定了瓦斯抽放质量。若封孔质量差，则容易造成钻孔漏气，影响钻孔的抽放浓度和抽放寿命，同时为提高抽放效果，还需补打钻孔，这也增加了生产成本。在《防治煤与瓦斯突出规定》颁布执行后，明确规定了顺层抽放钻孔的封孔深度(由《防治煤与瓦斯突出细则》规定的6m提高到8m)，由此可见封孔的重要性。通过提高钻孔的封孔深度和封孔质量可以有效提高钻孔的抽放质量。在钻孔抽放期间，通过对漏气钻孔的检查和堵漏，能使抽放浓度和百米钻孔抽放量再次提高。1封孔技术1．1钻孔开口钻机开孔，必须保证煤孔前10m的钻孔成型，不得在开孔段形成伞檐状、台阶状、弯曲状钻孔。1．2封孔工艺(1)封孔长度。顺层抽放钻孔封孔长度不少于8m，Ⅲ类、Ⅳ类煤的抽放钻孔不得少于9m。(2)清孔。封孔前，封孔段内的煤粉必须用压风清扫干净，无法清扫干净的必须用掏勺掏净}下向孔积水至孔口的钻孔，孔口以下12m范围内的水必须排出。(3)封孔管材。975—89mm孔用a25mm的铁管封孔；囝89—110mm孔用a38mm的铁管封孔；f2j110mm以上孔用f2j50mm的铁管封孔。严禁使用PVC塑料管封孔(封孔剂发热，易造成PVC塑料管变形，直径变小)。封孔管长度大于封孔长度0．5m以上。1．3聚氨酯封孔规定(I)封孔用布。可使用浴巾、麻袋布或稀棉布封孔。要求布面要规则，密度一致，不能有破损或油腻。布的规格不小于1．0m×0．8m。(2)缠布用药位置。缠布位置的里端距封孔管里口0．4—0．5m，全长用药，药卷两端要加略大于钻孔直径的橡胶挡板。(3)封孔管必须在封孔段两端焊接5～10mm高的挡头，防止封孔材料因固定不牢向外滑移。(4)用药标准。989mm以下，每孔用量5kg；a89—110mm，每孔用量7kg；9110mm以上，每孔用量9kg。随着药量的增加，封孔布的长度要适当加大。(5)配药。立固安封孔必须严格按照1：1的比例配比，现场必须有与配药量相适应的量具。(6)缠布上药与卷布。将封孔布的长端用绳扎在封孔管上，药兑好后，搅拌均匀待药变白或变黄后开始均匀平抹全布，卷布时必须保证布面的平整。1．4特殊地段的封孔根据钻孔的不同倾角可分别采用以下3种封孔方式：①大于10。的上向孔，下好封孔管后，先将孔口内放入1根乃18mm胶管，再用混凝土将孔口封堵300—500mm，然后用钻孔封孑L器，通过压风将水泥砂浆经12j18mm胶管注入孑L内，见孔口管出浆，封孔结束；②小于一5。的下向孔，先在距封孔管前端0．3m处加1个略大于钻孔孔径的橡胶挡板，并缠棉纱，下到封孔位置后，向钻孔内直接注水泥砂浆，待水泥砂浆脱水后，孔口再用半干的水泥砂子填充至封口；③封一50—lo。的钻孔，先将带挡板的封孔管下到封孔位置，再用钻孔封孔器向钻孔内通过压风直接喷射水泥砂浆(水泥、砂子配比为1：1)，直到孔口为止。2漏气钻孔的检查和堵漏工艺2．1抽放钻孔瓦斯浓度低的原因分析造成抽放钻孔瓦斯浓度低的主要原因有：①聚氨酯质量不稳定，发泡凝固时间不超过1rain，使用前未进行样品质量检验；②用聚氨酯井下封孔操作不规范，黑白2种药配比未严格量化，搅拌不均匀，布料不合适等；③煤层裂隙发育连通性好，钻孑L封孔段前后皆有裂隙存在，具备良好的透气条件；④封孔长度小，多数孔封孔不到8m。还有部分孔仅有6m。2．2漏气孔的检查钻孔封孔后，由于各种原因往往有的孔会出现漏气。低浓度钻孔普遍是漏气所致。因此集中对钻孔进行了单孔瓦斯浓度测试，封孔时没有设置测嘴的钻孔，采取在连接软管上打孔，安设测嘴的措施。总共测试105个钻孔，浓度小于30％的孔占50％以上，单孔计算漏气率50％一90％。抽放瓦斯浓度低必须引起高度重视。2．3堵漏技术和工艺(1)掏孔堵漏。将漏气孔孔口原封孔材料(聚氨酯)掏出500mm，直接用水泥砂浆塞堵孔口或注浆堵孔。直接用水泥砂浆塞堵孔口，测试效果不理想，用注浆堵孔法进行了试验，由于掏孔困难，未能继续进行。(2)打孔堵漏。在漏气孔两侧100mm左右，用煤电钻打2个与原来钻孔平行的孔，f2j42mm、孔深2—3m，在孔内插入缠有棉布的钢管，钢管外段固定在支架上，采用带压注浆，注浆压力在1MPa以下，注浆速度不宜太快，煤壁出现水泡时应停止注浆。为了查清堵漏效果，对堵漏钻孔进