黄陵一矿煤层瓦斯抽采钻孔成孔技术实践

陈 宁 丁志超 路文文

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

利用钻孔进行瓦斯抽采是目前我国高瓦斯矿井普遍采用的降低瓦斯危险，实现瓦斯利用的有效手段。部分煤层由于煤质松软、瓦斯压力大等原因，容易出现孔壁失稳、塌孔以及变形速度快、堵塞通道等现象，影响了瓦斯抽采效果[1-4]。为此，提高抽采钻孔成孔率、减少钻孔塌孔对提高瓦斯抽采率、实现煤矿安全生产具有重要意义。

1 工程概况

1.1 生产地质条件

陕西陕煤黄陵矿业一号煤矿1010工作面位于十盘区东南部，工作面倾斜长度180 m，走向长度2060 m，综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。所采煤层为2号煤，煤层厚1.17～6.70 m，平均5.27 m，煤层倾角2°～10°，平均6°，2号煤为特低硫、特高热量无烟煤。煤层顶底板岩性如图1。

图1 2号煤顶底板岩性

1.2 2号煤瓦斯参数

煤层的基本瓦斯参数包括瓦斯压力、含量、透气性系数等，是瓦斯治理的基本要求。为此，采用打钻取样、现场实测、实验室测试等方式确定三采区2号煤瓦斯基本参数见表1。

表1 2号煤瓦斯参数

2 抽采钻孔稳定性分析

2.1 煤层钻孔失稳

黄陵一矿的瓦斯抽采钻孔布置在本煤层中，钻进深度为120 m，钻孔布置如图2所示。

图2 抽采钻孔布置示意图（m）

在钻孔施工过程中，许多钻孔出现了垮塌、卡钻、喷孔等孔壁失稳以及压钻、卡钻、响煤炮等情况，成孔深度一般在40～80 m，平均62 m，延长了钻孔施工周期，降低了钻进效率，严重影响钻孔瓦斯抽采效果。

2.2 煤层钻孔内应力分布

2号煤层的预抽瓦斯抽采钻孔布置在煤层中，由表1反算煤层的单轴抗压强度为7.9 MPa，煤层较为松软，是造成成孔率低、长度短的主要原因。由于钻孔的施工，破坏了煤体中的原始应力状态，应力重新分布，达到新的平衡[5-6]。从孔口到孔底可分为四个区域，如图3。

表2 部分钻孔施工情况

图3 巷道内钻孔应力分布

（1）卸压区

该区域内的煤体受力超过了其极限强度，煤体屈服后进入塑性变形阶段。黄陵一矿2号煤普氏系数低，该区域的距离相对较长，并且瓦斯压力梯度小。煤体破碎，产生大量裂隙，瓦斯向临空面涌出。

在该区域内最容易发生垮孔现象，但由于裂隙发育，瓦斯泄漏通道较多，不会出现喷孔等瓦斯动力现象。

（2）峰后应力集中区

该区域内煤体相对完整，但煤体内部开始产生大量的裂隙，并且煤体中的瓦斯钻孔迁移，游离瓦斯逐渐增多，瓦斯的涌出进一步降低了煤体的强度，煤体进入塑性软化变形阶段。

当钻孔施工至该区域时，由于卸压作用，煤体进一步向残余塑性区转变。游离瓦斯的不断涌入使得该区域内的瓦斯压力相对较高。随着钻孔的施工，瓦斯压力梯度不断增大，在峰值附近达到最大。当应力梯度和积蓄的变形潜能超过孔壁煤体的承载能力时，孔壁发生失稳，破坏形式为拉伸破坏。在该区域内尤其是应力峰值附近有可能出现喷孔等瓦斯动力现象。

（3）峰前应力集中区

随着钻孔深度的增加，该区域内煤体所承受的垂直应力逐渐增加，但没有超过煤体的极限强度，因此煤体仍处于弹性变形状态。该区域内的煤体受孔壁围压的作用，裂纹产生较少，煤体渗透率减小。

钻孔施工至该区域时，孔壁煤体出现残余应变区，煤体的应力梯度逐渐缩小，孔壁相对稳定，一般不会发生喷孔等瓦斯动力现象。

（4）原始应力区

该区域内的煤体仍处于原始状态，煤体赋存状态和瓦斯赋存变化相对较小。当钻孔施工至该区域时，孔壁稳定，不会发生垮孔现象。

以上分析可以看出，卸压区最容易发生孔壁失稳现象；峰前应力集中区最容易发生垮孔以及喷孔等瓦斯动力现象；峰后应力集中区孔壁也容易失稳，但喷孔的几率大大降低；原始应力区的孔壁最为稳定。

3 瓦斯抽采钻孔施工

3.1 抽采钻孔布置

在1010工作面的回风顺槽和运输顺槽分别施工扇形顺层钻孔进行预抽煤层瓦斯。两顺槽内每隔50 m施工一个钻场，每个钻场内施工15个钻孔，钻孔开孔间距为0.6 m，终孔间距为3 m，上下两层布置，钻孔深度不小于140 m。

3.2 提高成孔长度措施

3.2.1 采用螺旋钻进和压风排渣技术

螺旋钻进技术是在钻进过程中利用钻杆螺旋叶片连续排屑，采用的是干式成孔，无冲洗液，减少了对孔壁的冲刷，有利于成孔的稳定。传统的排渣工艺是利用水将钻屑排出，同时冷却钻头，但对孔壁的影响较大，容易发生塌孔。压风排渣是利用压缩空气经过钻杆和钻头进入孔底，在钻孔内形成具有一定速度的风流，将钻屑吹向孔口。

1010工作面采用的螺旋钻机型号为ZYW-1900R型，钻头直径为85 mm，钻孔深度不得低于100 m，最大为160 m，钻进速度为0.5～1 m/min。

3.2.2 全孔段下筛管工艺

采用大孔径三“花瓣”形开闭式钻头进行钻孔施工，当到达设计深度后，将抽采筛管从钻杆内的通孔下放到钻孔的最底端，最后退出钻杆，如图4所示。该技术可有效避免因塌孔造成的抽采管难以下放问题，长期抽采效果较好。

图4 全长筛管安装示意图

根据黄陵一矿2号煤的地质条件，并经过现场试验，确定筛管的直径为50 mm，在孔口预留18 m的PE管（直径为75 mm）作为封孔段，剩余钻孔段全部下放筛管，筛管与PE管之间采用变径接头连接。

3.2.3 提前注浆加固

为减少塌孔，在钻孔施工地点提前对巷道回采帮进行加固，加固范围为孔口以里15 m范围内。每个钻场布置5个注浆钻孔，钻孔深度为20 m，采用Φ50 mm探水钻机施工。注浆钻孔布置如图5。

图5 注浆钻孔布置示意图（m）

3.3 应用效果

3.3.1 钻孔成孔率

新型ZYW-1900R型钻机在1010回风顺槽施工了55个下向孔，钻孔总计进尺6077 m，平均孔深110.5 m，最大成孔深度达165 m，平均每天进尺为184.2 m。新旧钻孔的使用对比见表3。

表3 新旧钻孔使用对比

3.3.2 瓦斯抽采浓度

对钻孔成孔后4个月内的瓦斯抽采浓度进行观测。采用新型钻机施工，并且安设全长筛管的钻孔瓦斯浓度变化如图6。

图6 瓦斯抽采浓度变化图

由图可以看出，在4个月的抽采时间内，瓦斯抽采浓度一直保持在70%～80%之间，变化幅度较小，抽采效果好。

4 结论

（1）瓦斯抽采钻孔可分为四个区域，卸压区最容易发生孔壁失稳现象，峰前应力集中区最容易发生垮孔以及喷孔等瓦斯动力现象。

（2）全长筛管护孔瓦斯抽采技术可以在不回钻的情况下将筛管下放到钻孔底部，有利于钻孔的稳定。

（3）通过采用螺旋钻杆、全长筛管护孔、预注浆加固等技术，1010工作面瓦斯抽采钻孔成孔率明显提高，长期抽采瓦斯浓度下降小，保证了工作面的安全回采。