穿层抽放钻孔水力扩孔防突技术.doc

穿层抽放钻孔水力扩孔防突技术 摘 要单一突出煤层透气性较差，属较难抽放煤层，在其采用水力扩孔后，增加煤层暴露面积，增大钻孔卸压范围，透气性明显增加，抽放效果有大弧度提高，缩短了抽放时间，减低了突出危险，确保了采掘接替，有显著经济效益。 主 题 词水力 扩孔 防突技术 1 概况 矿井开采绝大部分（矿井的8～14勘探线）煤层属较难抽放，主要是在实施穿层预抽后1个月后，抽放瓦斯浓度由开始的30％左右降到仅有1～20％。并在煤层开采、掘进过程中瓦斯涌出量仍较大，安全威胁仍较严重。严重制约我矿采、掘正常生产。此时，三矿在石门预抽过程中采取了水力扩孔成功经验，仅抽放20天左右时间成功揭开煤与瓦斯突出煤层，给予一矿瓦斯治理工作很大的鼓舞。在矿业公司相关领导关怀下，一矿便到三矿学习水力扩孔技术操作方法，初步认为能在一矿实施。由是在3月底开始在矿井的590南一采区、674南二采区等区域进行试验。通过研究水力扩孔机具的制作及工艺要求，自制机具扩孔，对石门、K1掘进条带预抽地点的煤层进行水力扩孔，实现增透、高效抽放，缩短抽放时间。达到K1煤层扩出的煤量为5吨左右；扩孔后瓦斯抽放率明显提高，抽放浓度30以上，为矿井采掘部署提前打开局面。 2 项目的技术可行性分析 2.1必要性 三汇一矿开采绝大部分范围煤层属强突出、低透气性煤层，抽放较为困难，且煤层的硬度较小，普氏系数一般在0.1～0.3之间，但矿井开采的煤层很大程度上瓦斯赋存量较丰富，直接采取预抽后采、掘过程中瓦斯涌出量仍较大，使防突和瓦斯治理工作陷入困境。此时，三矿在石门预抽过程中采取了水力扩孔并取得成功，仅抽放20天左右时间成功揭开煤与瓦斯突出煤层，给予一矿瓦斯治理工作很大的鼓舞。 2.2 可行性 采取水力扩孔的目的是增大抽放半径，增加煤层暴露面积，增大钻孔卸压范围，提高瓦斯抽放效果，减低突出危险。根据煤层赋存条件，通过穿层孔直接进行煤层水力扩孔提高抽放效果是可行的。 3 方案选择及实施情况 3.1方案 方案1在钻杆上加工Φ10mm的小孔供水，采用Φ50钻杆加工射流孔，前端配50钻头。 方案2采用特制的水便柱，在水便柱上直接供水，采用Φ50钻杆加工射流孔，前端配50钻头。 3.2方案对比 方案1与方案2对比情况如表2 表2 实施方案比较表 优 缺 点 方 案 优点 缺点 方案1 成本低，易加工。 扩孔不能旋转 方案2 能使钻杆进行旋转扩孔，扩孔效果较好。 成本高，难加工 3.3方案选择 从表2可以看出，从技术上方案2优于方案1，故选取方案2进行实施。 3.4 方案实施 3.4.1扩孔机具取材料 水便柱由重庆飞尔达煤矿机械公司加工，再采用Φ50钻杆、废旧钻头（丝扣必须完好）作为原材料，钻机采用矿井使用的ZYG-150B型液压钻机，水泵采用25Mpa的乳化液压泵。 3.4.2 扩孔机具操作 使用时将钻头、钻杆、水便柱和高压管连接好，钻杆丝扣处必须缠上棉纱，以保证接头不漏水，压力在18～25Mpa。如图如示。 扩孔机具连接图 4 项目工程目的 项目主要是通过实施穿层抽放在煤层段进行水力扩孔，增大抽放半径，增加煤层暴露面积，增大钻孔卸压范围，提高瓦斯抽放效果，减低煤层突出危险，缩短抽放时间；消除矿井瓦斯灾害的影响，缓解矿井的采掘部署的目的。 5 项目工程设计 在矿井的8号勘探线以北开采的煤层，有条件实施穿层抽放孔区域，在煤层对应的巷道中部进行水力扩孔（根据设计巷道的标高进行控制）。在590北一大巷煤层（N21201机巷）剩余掘进段重新施工钻孔进行水力扩孔后抽放；2124工作面开切眼剩余掘进段及2123工作面机巷进行水力扩孔；590北五石门的19、22、a、51、54号钻孔进行扩孔后抽放。 6项目技术实施 6.1 项目技术实施地点的选择 根据水力扩孔适应的条件及矿井煤层赋存状况，水力扩孔仅能在矿井的8号勘探线（矿井南二采区）以北的区域，结合矿井的施工钻孔及生产实际情况。选择在590北一大巷煤层（N21201机巷）剩余掘进段重新施工钻孔进行水力扩孔后抽放；2123工作面机巷剩余掘进段；590m北五石门进行水力扩孔。 6.2 项目技术实施 该项目从2008年3月份底开始实施，至6月2日止对矿井的590北一大巷41～34钻场进行了4个钻孔， 674南二采区2123工作面剩余掘进段进行了13个钻孔，590m北五石门5个钻孔，进行扩孔后抽放参数及采掘过程中进行论证。 6.2.1 590m南一～北一大巷（N21201机巷剩余掘进段） 6.2.1.1 工作面概况 该掘进工作面，煤层层位正常，该面煤层赋存稳定，煤层厚度为1.78米～1.95米，平均1.86米。含0～1层夹矸，厚0.06～0.2m，煤层倾角为30～32，平均31,煤层走向41～43，平均42。该区域开采K1属单一煤与瓦斯突出煤层，其上覆盖层厚度为243～273ｍ，地应力不集中，地压较小。该区域K1煤层原始瓦斯含量为11.85m3/t。 6.2.1.2 项目实施 2008年3月24日～4月1日对590m南一～北一大巷（N21201机巷剩余掘进段），41钻场与40钻场之间（1扩孔），39钻场与38钻场之间（2扩孔），37钻场与36钻场之间（3扩孔），35钻场与34钻场之间（4扩孔）进行重新施工钻孔进行扩孔，钻孔间距为12～15米，合计控制距离为51.2米。扩孔水压达到了25Mpa。详见N21201机巷剩余掘进段水力扩孔竣工图，其相关参数如下表 N21201机巷剩余掘进段水力扩孔参数表 孔号 倾角（） 见煤（m） 穿煤长（m） 穿顶（m） 1 8 51.7 3.8 0.8 2 8 48.5 2.3 3 8 54 3.8 1.5 4 8 57 3 3 N21201机巷剩余掘进段水力扩孔情况表 孔号 扩时间（时） 煤量（t） 扩孔 日期（日） 理论计算扩孔后直径m 钻孔 直径m 钻孔直径增加倍数 扩孔前抽放浓度（％） 抽放浓度（％） 抽放 负压（Kpa） 1 6 3 3.24 0.55 0.08 6.875 4 21 2 2 10 2.2 3.26 0.67 0.08 8.375 13 66 4 3 10 2 3.28 0.36 0.08 4.5 9 28 6 4 13 10 3.31～4.1 2.30 0.08 28.75 23 86 6 注明1.1号扩孔当时扩孔时与机巷本层抽放扩通；2.扩孔时以上4个孔均在30分钟后有高浓度瓦斯涌出；3.以上扩孔煤量根据扩孔流量估计煤量；4.扩孔以最后只有清水流出不在实施扩孔。 通过水力扩孔，该区域瓦斯得到了有效控制，在掘进过程中防突指标超标和打钻喷孔、夹钻现象有显著的减低，提高了我矿防突头的掘进进尺，确保了采、掘接替。 6.2.2 2123工作面机巷剩余段 6.2.2.1 工作面概况 该机巷区域煤（岩）层位较稳定，煤层赋存稳定，倾角为∠20～∠26，平均倾角为23，煤厚1.8～2.2m，平均厚度为2m，含夹矸0～2层。覆盖层厚度为394～435m，地压较小。瓦斯含量为20.73m3/t。 6.2.2.2 项目实施 2008年5月11～6月2日对2123工作面机巷对应的674南二大巷7～20号钻场，共施工了13个钻孔并实施了水力扩孔间距为8～12.8米，合计约控制机巷走向长166米。扩孔水压达到了18～20Mpa。详见2123机巷剩余掘进段水力扩孔竣工图，其相关参数如下表 2123机巷剩余掘进段水力扩孔参数表 孔号 倾角 偏角 终孔深m 见煤 m 穿煤长m 穿顶板m 1 11 -10 46 41 4 1 2 10 -10 42 37.5 4 0.5 3 11 -10 45 39.5 4 1.5 4 10 -10 48 40.5 4.5 3 5 11 -10 39.5 33 4.5 2 6 12 -10 39 33 4.5 1.5 7 12 -10 42.6 36 5.1 1.5 8 11 -10 45 35 5 5 9 12 -10 38 29.5 4.5 4 10 11 -10 38.8 30.8 5 3 11 11 -10 39 32.5 5.5 3 12 11 -10 35.5 26.5 4.5 4.5 13 11 -10 32.7 26.6 3.8 2.3 2123机巷剩余掘进段水力扩孔情况表 孔号 扩时间（时） 煤量（t） 扩孔 日期（日） 理论计算扩孔后直径m 钻孔 直径m 钻孔直径增加倍数 扩孔前抽放浓度（％） 抽放浓度（％） 抽放 负压（Kpa） 1 4.00 2.1 5.11 0.362 0.08 4.526 2 32 2 2 6.00 2.3 5.14 0.396 0.08 4.957 2 5 2 3 7.20 3.1 5.14 0.534 0.08 6.681 3 60 3 4 7.00 0.5 5.15 0.076 0.08 0.958 11 78 3 5 10.00 0.4 5.18 0.061 0.08 0.766 14 52 3 6 7.30 1.2 5.23 0.183 0.08 2.299 2 62 3 7 6.00 1.2 5.26 0.162 0.08 2.028 25 75 3 8 7.00 1.6 5.28 0.220 0.08 2.759 20 72 2 9 7.00 1.2 5.30 0.183 0.08 2.299 17 80 2 10 10.30 5.1 5.30 0.703 0.08 8.793 20 63 2 11 10.00 5.3 5.31 0.664 0.08 8.307 24 67 3 12 8.00 4.8 6.1 0.735 0.08 9.195 19 34 3 13 8.00 4.1 6.2 0.744 0.08 9.301 22 50 3 注明1.1、2号扩孔当时扩孔时与机巷本层抽放扩通；2.扩孔时以上孔均在30分钟后有高浓度瓦斯涌出；3.以上扩孔煤量根据扩孔流量估计煤量；4.扩孔以最后只有清水流出不在实施扩孔；5.10～13号钻孔是采取的水便柱供水旋转扩孔。 通过水力扩孔，该区域瓦斯得到了有效控制，在掘进过程中防突指标超标和打钻喷孔、夹钻现象有显著的减低，提高了我矿防突头的掘进进尺，确保了采、掘接替。 6.2.3 590北五石门 6.2.3.1 工作面概况 该机巷区域煤（岩）层位较稳定，煤层赋存稳定，倾角为∠37煤厚1.75m，含夹矸0～2层。覆盖层厚度为390～420m，地压较小。瓦斯含量为11.85m3/t。 4.2.3.2 项目实施 2008年5月12～28日对590北五石门19、22、a、51、54号抽放钻孔进行了水力扩孔，扩孔控制范围约为635.5平方米。扩孔水压达到了20Mpa。详见590北五石门抽放竣工图，其相关参数如下表 590北五石门水力扩孔参数表 孔号 倾角 偏角 终孔深m 见煤 m 穿煤长 m 穿顶板 米 19 20 -18 16.8 13.3 3 0.5 22 20 18 16.8 13.3 3 0.5 a 1 0 20.5 16.5 3.5 0.5 51 -5 -10 25 20 4 1 54 -5 10 24.8 20 4 0.8 590北五石门水力扩孔情况表 孔号 扩时间（时） 煤量 （t） 扩孔 日期（日） 理论计算扩孔后直径m 钻孔 直径 m 钻孔直径增加倍数 抽放浓度（％） 抽放 负压（Kpa） 19 4.00 2.3 5.24 0.529 0.08 6.609 38 6 22 2.00 2.6 5.25 0.598 0.08 7.471 56 6 a 6.30 2.1 5.25 0.414 0.08 5.172 50 6 51 7.00 3.4 5.26 0.586 0.08 7.328 54 6 54 7.00 4.2 5.28 0.724 0.08 9.052 32 6 注明1.扩孔时以上孔均在30分钟后有高浓度瓦斯涌出；2.以上扩孔煤量根据扩孔流量估计煤量；3.扩孔以最后只有清水流出不在实施扩孔；4.54号钻孔是采取的水便柱供水旋转扩孔。 7 工作的进展与完成情况 结合矿井施工钻孔的实际情况。该项目从2008年3月份底开始实施，至6月2日止对矿井的590北一大巷41～34钻场进行了4个水力扩孔钻孔，2124工作面开切眼剩余55m段施工2个水力扩孔，674南二采区2123工作面剩余掘进段进行了13个钻孔，590m北五石门5个钻孔，共计24个钻孔，扩孔煤量合计约为72.4吨，扩孔泵站压力均达到了30Mpa。 （1）2008年3月24日～4月1日对590m南一～北一大巷，41钻场与40钻场之间（1扩孔，抽放瓦斯浓度为21％），39钻场与38钻场之间（2扩孔，抽放瓦斯浓度为66％），37钻场与36钻场之间（3扩孔，抽放瓦斯浓度为28％），35钻场与34钻场之间（4扩孔，抽放瓦斯浓度为86％）进行重新施工钻孔进行扩孔，钻孔间距为12～15米，合计控制距离为51.2米。 （2）2008年4月13～15日对2124工作面开切眼剩余55米段进行了施工2个钻孔并实施了水力扩孔，1号孔距现碛头为21米，2号孔为10米，合计约控制开切眼为41米，抽放瓦斯浓度分别为45％、36％。 （3）2123机巷 对以上水力扩孔进行效果考察仅有2124开切眼，在开切眼扩孔后进行开切眼掘进碛头防突指标测定6次，在穿层水力扩孔后实施第一循环防突检验防突指标K1max0.6ml/g.min1/2，后根据水力扩孔的位置（距碛头有21米）便实施了排放孔13个（均深13米，6号孔20米），至目前为止没有再施工防突措施孔，其在开切眼内施工的抽放孔控制距已掘完，检验防突指标分别为0.27、0.49、0.49、0.49、0.48 ml/g.min1/2。其余地点还未进行实际生产作业。 （4）2008年5月12～28日对590北五石门19、22、a、51、54号抽放钻孔进行了水力扩孔，扩出煤量2.1～4.2t，抽放瓦斯浓度达到32～56％。 8 效果分析 以下是对N21201工作面机巷、2123工作面机巷及590北五石门扩孔后进行了综合效果分析 （1）N21201工作面机巷剩余段通过水力扩孔后，在6月份掘进单进分别为42m，预计7月份能完成46m。主要是由于N21203机巷、S21201开切眼掘进由该巷不能形成独立的通风系统。实际在6月份掘进天数为16天，7月份掘进天数为17天左右。并对以前的穿层抽、本层抽后再排放的防突措施进行了改变。对其抽放后就直接进行效果检验后掘进。 （2）2123工作面机巷剩余段通过水力扩孔后，在6月份掘进单进分别为32m，预计7月份能完成51m。主要是由于2124工作面回采与该巷不能形成独立的通风系统。实际在6月份掘进天数为13天，7月份掘进天数为18天左右。并对以前的穿层抽、本层抽后再排放的防突措施进行了改变。对其抽放后就直接进行效果检验后掘进。 （3）590北五石门进行水力扩孔后，在6月5日全面接抽，在7月20日进行有效抽放评估，其抽放率就达到了35.6％。在抽放过程中对水力扩孔的51号孔和32号孔分别安装了瓦斯计量表，51号孔抽放量为8595立方米，32号孔抽放量为3784立方米，扩孔的抽放量是直接抽放孔的2.3倍抽放量。 9 结论 一矿在进入4月份以来，对全矿能实施水力扩孔或必须采取水力扩孔才能解决防突压力的地方，均陆续实施穿层孔煤层段水力扩孔技术，通过水力扩孔后进行抽放效果较明显，掘进的防突工序减少，掘进单进有所提高，抽放时间大大的降低，以前石门揭煤抽放时间需要3个月左右，现抽放时间1.5个月时间。 10 存在的问题及建议 在水力扩孔时扩孔钻杆是固定无法旋转，是影响扩孔效果的直接原因，建议高压管与钻机的水便轴直接连接（主要解决水便柱上的高压密封圈），使钻杆旋转起来扩孔。