综采工作面断层影响区域顺层钻孔预抽瓦斯技术

葛 熙

（山西石港煤业有限责任公司，山西 晋中 032600）

1 工程概况

山西石港煤业有限责任公司行政区划属左权县寒王乡管辖，矿井生产能力0.9 Mt/a，采用斜井开拓方式，现阶段正在进行15#煤层的开采。15#煤层具体的特征详见表1 所示。处于准备阶段的15210工作面地表位于疙料村沟，南部为石凹梁中部地段，北部为跑马梁地段，地表无民房及其它建筑物。工作面煤层底板总体为一向南西方向倾斜的单斜构造，局部地段发育有次一级的向、背斜构造，工作面内存在一条较大的正断层。15210 工作面回采前通过顺层钻孔进行本煤层瓦斯预抽工作，防止正常回采期间瓦斯涌出量过高的问题。根据以往的实际生产经验，由于断层附近构造应力的影响，煤层透气性差，钻孔施工困难，对于瓦斯的渗透和抽采效果造成很大影响，为改善断层影响区域顺层钻孔瓦斯预抽效果，以15210 工作面为背景进行相关研究。

表 1 煤层特征情况表

2 断层对钻孔抽采半径的影响

由于断层的存在，附近煤岩体内的地应力重新分布，局部出现应力集中，煤体受到地应力作用更加明显，透气性受到影响，导致顺层钻孔的抽采半径较小。为准确掌握15210 工作面内正断层附近顺层钻孔的抽采半径，设计在15210回风巷内进行现场试验，采用压力降低法现场测试钻孔的有效抽采半径[1]。降压法是通过在抽采钻孔两侧布置多个测试孔，根据测试孔内瓦斯压力的变化确定抽采钻孔的影响范围。现场测试时，共布置两个抽采钻孔，分别距断层为15 m 和40 m。抽采钻孔直径为113 mm，深度为80 m。在抽采孔两侧分别布置两个测试孔，孔深50 m，直径94 mm。其中2#测试孔与抽采钻孔的垂直距离为1 m，其余测试钻孔间距为2.0 m。现场测试钻孔布置详情如图1 所示。

图 1 钻孔有效抽采半径现场实测示意图

现场测试期间，首先进行1#～4#测试钻孔的封孔、抽放，待各个测试孔内瓦斯流量稳定后开始预抽孔的施工，继续进行各个测试孔内的抽采，记录抽采孔开始抽采前后各个测试孔的瓦斯流量。以距离断层15 m 的预抽测试为例，得到4 个测试孔抽采瓦斯流量的变化规律如图2 所示。

由图2 所示结果可知，各个测试孔抽采初期瓦斯流量较高，随着抽采时间的增加，瓦斯流量逐渐减小并趋于稳定。1#～4#测试孔平均瓦斯流量分别为2.0 L/min、1.8 L/min、1.85 L/min、1.95 L/min。预抽孔施工、封孔、预抽后，1#测试孔瓦斯流量相比预抽前继续减小，最终稳定在0.75 L/min 上下；2#测试孔瓦斯流量增至3 L/min，最终稳定在2.4 L/min上下；3#测试孔瓦斯流量增大至2.2 L/min，并最终稳定在1.9 L/min 上下；4#测试孔瓦斯流量相比预抽前继续减小，最终稳定在1.0 L/min 上下。综上可得，2#测试孔（距预抽孔1.0 m）瓦斯流量比预抽前增大了33.3%，3#测试孔（距预抽孔2.0 m）瓦斯流量增大了5.4%，1#测试孔（距预抽孔3.0 m）、4#测试孔（距预抽孔4.0 m）瓦斯流量明显减小。根据钻孔有效抽采半径测定原则[2]，可知距离断层15 m 处的顺层钻孔有效抽采半径为1.0 m。同理得到距离断层40 m 处的顺层钻孔有效抽采半径为2.0 m。断层附近顺层钻孔间距应小于二倍的有效抽采半径2.0 m，远离断层的钻孔间距应小于4.0 m。顺层钻孔抽采过程中，各个钻孔间常存在叠加抽采的现象，可适当增大抽采钻孔间的距离，因此设计15210 工作面顺层钻孔施工实际间距为2.5 m。

图 2 各测试孔作业前后瓦斯流量随时间变化图

3 断层附近钻孔施工技术研究

3.1 断层附近钻孔施工效果

15210 工作面采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯预抽，由进风巷和回风巷分别布置顺层钻孔，钻孔间距为2.5 m。钻孔的详细参数详见表2，断层附近顺层钻孔施工完成后成孔情况如图3 所示。

根据图3 所示结果可以看出，顺层钻孔设计长度为130 m，实际施工过程中将长度在80 m 以上的视为成孔。断层附近共施工190 个钻孔，其中成孔共75 个，成孔率仅39.5%。施工长度为50～80 m 的钻孔共80 个，占钻孔总数的42.1%，施工长度小于30 m 的钻孔共27 个，占钻孔总数的14.2%，且有8个钻孔由于卡钻现象放弃施工，占钻孔总数的4.2%。综上可以看出，断层附近顺层钻孔施工效率极差，将严重影响该区域的瓦斯治理效果。

表 2 顺层钻孔参数表

图 3 钻孔成孔统计图

3.2 “孔内高压”施钻工艺

由于断层附近煤体结构更加松软破碎、裂隙发育，顺层钻孔施工期间排渣量将明显增大，煤渣不能及时排出，且钻孔施工期间，钻孔内压力低于周围煤体内的瓦斯压力，瓦斯解吸使瓦斯压力进一步增大，导致瓦斯积聚。瓦斯的突然释放引发喷孔、塌孔、卡钻等现象，严重影响钻孔的施工效率及瓦斯抽采的效果。断层附近顺层钻孔钻进过程中卡钻现象，可通过“孔内高压”施钻工艺解决。通过大功率空压机提高钻机的供风能力，使钻头周围空气压力与煤体内瓦斯压力相近，减小钻孔周围煤体内瓦斯压力和空气压力的差值，减缓煤体内瓦斯解吸速度，缓解煤体内的瓦斯积聚现象，最终消除喷孔、卡钻等现象，提高钻孔施工效率和成孔率。参考相关研究成果[3-4]，钻孔孔底的空气压力可以表达为：

式中：△Pa为空气由钻孔孔口送入孔底的压力损失，Pa；△Psa为煤屑在孔底加速所需的压力损失，Pa；△Ps为煤屑一定速度下在孔口送出附加的压力损失，Pa；P0为大气压，Pa。

孔口处空气以不可压缩气体计算，其沿程阻力损失△Pa计算公式为：

式中：△Pa0为沿程阻力损失，Pa；

钻屑在孔底速度为零，在孔内5～10 m加速完成，则加速所需的压力损失△Psa由下式计算：

式中：μ 为单位时间内，钻孔钻屑体积与牙缝内空气流量比，1；

输送钻屑形成的阻力损失△Ps计算公式为：

式中：△Ps0为钻渣在孔口被吹出的压力损失，Pa。

参考相关的研究成果，取Pa0=0.1 MPa，μ=0.15，△Ps0=0.05 MPa，P0=0.1 MPa，由式（1）～（4）计算可得孔底最低压力P=0.459 MPa。15#煤层原始瓦斯压力为0.28 MPa，确定孔底压力应为0.739 MPa 左右，空压机设计压力最大可达1.5～2.0 MPa，考虑到现场施工、经济成本及空压机运行中压力的损失等因素确定空压机的合理风压为0.8～0.9 MPa。

为确保断层附近顺槽钻孔瓦斯抽采效果，在现有钻孔的条件下，首先进行成孔率较高区域的瓦斯预抽和钻孔自然排放。抽采约一个月后，在断层影响区域采用“孔内高压”工艺进行钻孔的施工。钻孔覆盖断层上盘80 m 及下盘120 m 范围，采用ZDY4500XLY型钻机，共施工111 个钻孔，空压机的额定风压为0.8～0.9 MPa。考虑原有钻孔的影响，将钻孔布置在距离底板2.0 m 处，且与回采巷道轴线方向夹角80°，钻孔长度为132 m，直径为113 mm，间距2.5 m。钻孔现场施工及布置详情如图4 所示。将施工长度超过100 m 的钻孔视为成孔，实际施工过程成孔率超过80%，且未出现卡钻等现象，钻进效率明显提升。

图 4 钻孔布置详情

4 结论

在石港煤业15210 工作面断层附近进行钻孔预抽试验，通过压力降低法测得距断层15 m 处钻孔有效抽采半径为1.0 m，距断层40 m 处钻孔有效抽采半径为2.0 m，确定顺层钻孔的布置间距为2.5 m。根据钻孔现场施工情况，断层附近钻孔的成孔率、抽采效果差，提出采用“孔内高压”工艺重新进行钻孔的施工。实际施工过程成孔率超过80%，且未出现卡钻等现象，钻进效率明显提升，成功解决了断层附近顺层钻孔的施工难题，取得了良好的工作面瓦斯预抽效果。