筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：彭建辉（），男，河北邢台人，工程师，硕士，年毕业于太原理工大学安全工程专业，现从事瓦斯抽采技术与管理工作。引用格式：彭建辉 筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用彭建辉（晋能控股煤业集团 三元煤矿，山西 长治 ）摘要：随着我国煤矿开采进入深部开采，矿井瓦斯事故频发，钻孔抽采瓦斯是解决瓦斯超限问题的根本措施。为了提高井下本煤层钻孔的瓦斯抽采浓度，进而提高单孔瓦斯抽采效率，以三元煤矿 号煤层 工作面回风巷为试验地点，进行筛管下放前后的瓦斯抽采钻孔效果分析。选取 组瓦斯抽采钻孔（每组 个钻孔，总计 个钻孔），分别采取全程未下筛管和下 筛管 种方式进行瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采混量的效果对比。结果表明，下筛管比未下筛管单孔抽采纯量可提高 倍，有效解决了瓦斯抽采钻孔因煤层松软和透气性低导致的塌孔及抽采效果不理想的难题。关键词：筛管；瓦斯抽采；瓦斯治理；煤层透气性中图分类号：文献标志码：（，）：，（，），：；：钻孔抽采瓦斯是保障高瓦斯矿井安全开采的治本之路，松软煤层钻孔受地质环境、开采及钻进扰动等影响，钻孔易坍塌变形导致瓦斯抽采效果低下 。晋能控股集团三元煤业位于山西省长治郊 年第 期煤炭科技第 卷区沁水煤田东南部，主采 号煤层，隶属高瓦斯矿井，井下治理瓦斯的主要方式为钻孔抽采 。由于高应力、低透气性、煤质酥软等问题，当前三元煤业井下钻孔内塌孔现象频发，严重影响瓦斯抽采效果，制约着矿井的安全生产 。钻孔瓦斯抽采浓度的高低直接决定着煤层瓦斯治理的成效 。为了实现煤矿井下本煤层钻孔瓦斯高效预抽，提出了使用筛管对钻孔内部坍塌区域提前进行护壁的措施，以此解决三元煤业本煤层钻孔塌孔导致瓦斯抽采效果不佳的难题。瓦斯抽采筛管护壁工艺技术筛管护壁工艺技术是利用中空钻杆将筛管置入钻孔中，以起到保护孔壁的效果。具体施工流程为：首先使用中空三菱形钻杆配合中空钻头，在松软煤层中施工瓦斯抽采钻孔，钻孔钻进至设计孔深后，将筛管经由中空三菱形钻杆内下入，筛管固定装置的弹卡张开并锚固在孔壁上，最后退出钻杆，筛管留在孔内。留在孔内的筛管保证了瓦斯抽采通道的畅通，延长了钻孔的抽采时间，提高了瓦斯抽采效率 。筛管悬挂的关键点在于筛管内部固定装置的设计，筛管固定装置连接在筛管最前端，固定装置结果如图 所示。固定装置前端有导向作用，使得筛管可以顺利通过钻杆接头处的台阶；下放筛管时，筛管悬挂装置在中空钻杆退出后，通过弹簧装置展开，牢牢扣住煤壁，进而有效限制筛管滑移，实现筛管的悬挂固定。图 筛管固定装置在中空钻杆中开闭状态 现场工业性试验为了检验筛管护壁工艺在煤矿现场的实施效果，选取晋能控股集团三元煤业 工作面开展现场试验。工作面情况三元煤矿隶属山西晋能集团有限公司，核定生产能力为 。井田内可采煤层为 号、号、号、号煤层，现采 号煤层，煤层厚度为 ，开采深度为 。号煤层吸氧量 ，煤层自燃等级为级，属不易自燃煤层。煤层煤尘爆炸火焰长度 ，抑制爆炸岩粉用量 ，煤尘具有爆炸性。该矿井为高瓦斯矿井，煤层最大瓦斯含量为 ，瓦斯压力较小，不存在突出区域。号煤层瓦斯基础参数见表 。表 三元煤业瓦斯基础参数 最大瓦斯压力 最大瓦斯含量（）透气性系数（）钻孔瓦斯流量衰减系数 钻孔百米初始瓦斯涌出强度（）瓦斯放散初速度坚固性系数抽采半径 号煤层 回采工作面有效推进长度 ，切眼长度 ；绝对瓦斯涌出量 ，相对瓦斯涌出量 。号煤层煤种为贫瘦煤，煤体整体较为破碎，抗剪切力和抗压力差，煤层总厚为 ，中间有一层厚 的稳定夹矸，顶底板为砂质泥岩和细粒砂岩整体岩性较为松软。在进行本煤层瓦斯抽采钻孔钻进过程中，经常遇到塌孔和钻杆不返水情况，解决瓦斯抽采钻孔坍塌问题迫在眉睫。本煤层瓦斯抽采钻孔设计在 进风巷和回风巷终采线范围内施工顺层交叉钻孔，如图 （）所示。运输和回风巷均沿煤层底板掘进，下排孔采用平行钻孔，开孔高度 ，与巷道呈 夹角，钻孔倾角同煤层倾角。上排孔采用斜交钻孔，开孔高度 ，水平方向与巷道成 夹角，钻孔倾角斜向煤层顶板，上、下两 年第 期彭建辉：筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用第 卷排孔成三花眼布置，钻孔交叉覆盖区域长度不低于 ，如图 （）所示。图 工作面本煤层钻孔布置示意 本次试验区域为在 回风巷抽取 号总计 个钻孔，分为 组进行对比试验，一组作为对比孔（号孔）未下筛管，另一组作为试验孔（号孔）下 筛管。在 组间进行参数测定比对，得出试验结果。试验结果分析瓦斯抽采钻孔抽采效果主要取决于瓦斯抽采钻孔浓度和瓦斯抽采混量 ，对 回风巷 个瓦斯抽采钻孔进行持续 的抽采数据统计。两组钻孔的瓦斯数据统计如图 所示。图 两组钻孔瓦斯数据统计 由图 可知，试验孔的瓦斯浓度远远高于对比孔，试验孔平均瓦斯浓度由起始的 经过 的瓦斯抽采降至 ；而对比孔的平均瓦斯浓度由起始的 经过 的瓦斯抽采降至 。钻孔刚接抽开始，试验孔的瓦斯浓度较对比孔提升了 ，经过 的瓦斯抽采，试验孔的平均瓦斯浓度较对比孔提高了 。可以看出，试验孔的起始瓦斯浓度远远高于对比孔瓦斯浓度，同时经过 个月的抽采，试验孔瓦斯浓度仍明显高于对比孔。图 中，试验孔的平均瓦斯浓度变化曲线明显较对比孔的变化曲线缓，这是由于筛管护壁工艺从钻孔接抽开始就对钻孔起到良好的支护作用，保证了钻孔瓦斯的高效抽采。为了更好分析试验组与对比组 组钻孔的瓦斯参数，统计分析了 组钻孔第 的瓦斯参数数据，见表 、表 。表 试验孔未下筛管单孔瓦斯抽采参数 孔号 浓度负压 混合流量（）纯流量（）表 对比孔未下筛管单孔瓦斯抽采参数 孔号 浓度负压 混合流量（）纯流量（）年第 期煤炭科技第 卷试验孔与对比孔的瓦斯数据对比如图 所示。图 中，试验孔（号孔）采取筛管护壁工艺；对比孔（号孔）未采取筛管护壁工艺。图 试验孔与对比孔的瓦斯数据对比 由图 （）可知，试验孔的瓦斯浓度数据明显高于对比孔，试验孔的平均瓦斯浓度均保持在 以上，而对比孔的瓦斯浓度多数在 附近。计算得到试验孔的平均瓦斯浓度为 ，对比孔的平均瓦斯浓度为 ，试验孔的平均瓦斯浓度较对比孔提升了 。由图 （）可知，试验孔的瓦斯纯流量明显高于对比孔，试验孔的平均瓦斯纯流量为 ，对比孔平均瓦斯纯流量为 ，试验孔的平均瓦斯纯流量较对比孔提升了 ，抽采纯流量提高了 倍。显然利用筛管护壁技术后钻孔的抽采流量及抽采浓度均明显提升，由此验证了筛管护壁工艺的实用性。结论针对三元煤业钻孔塌孔情况严重问题，提出采用筛管护壁技术减少钻孔塌孔情况的发生，在三元煤业 回风巷进行了现场试验，得出结论如下。（）阐述了筛管护壁工艺的原理，并详细解释了筛管内部固定装置的打开闭合状态，为筛管护壁工艺提供基础。（）在三元煤业 回风巷共试验钻孔数为 个，其中 个试验孔，个对比孔，监测时间为个月，并统计分析了两组钻孔的平均瓦斯参数。（）试验孔瓦斯浓度数据明显高于对比孔，试验孔平均瓦斯浓度为 ，对比孔的平均瓦斯浓度为 ，试验孔平均瓦斯浓度较对比孔提升了 。试验孔瓦斯纯流量明显高于对比孔，试验孔平均瓦斯纯流量为 ，对比孔平均瓦斯纯流量为 ，试验孔平均瓦斯纯流量较对比孔提升了 ，抽采纯流量提高了 倍。（）通过采取筛管护壁工艺，为三元煤矿 号松软煤层的钻机钻进提供了可靠的技术保障，大大提高了瓦斯抽采效率，为本质安全型矿井的建设奠定了基础。参考文献（）：袁永，屠世浩，陈忠顺，等 薄煤层智能开采技术研究现状与进展 煤炭科学技术，（）：，（）：童碧 复杂顶板高位定向长钻孔全程下筛管技术实践 煤矿安全，（）：，（）：杨计先，程仁辉，张超 高瓦斯松软煤层钻孔加固密封技术研究 煤炭工程，（）：，（）：张超，杨朴超，李树刚，等 瓦斯抽采钻孔密封段防塌支护材料试验研究及现场应用 采矿与安全工程学报，（）：，年第 期彭建辉：筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用第 卷 ，（）：许彦鹏，杨万里，栗海滔，等 钻冲护一体化水力卸压筛管护孔瓦斯高效抽采技术研究 河南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：张学博，王豪，杨明，等 抽采钻孔失稳坍塌对瓦斯抽采的影响机制研究及应用 煤炭学报：，：韦瑞敏 松软煤体钻孔稳定性与塌孔机理分析 能源与节能，（）：，（）：徐东方，陈滔，赵鹏涛，等 便捷式两堵一注全程下筛管成套封孔技术应用 煤炭技术，（）：，（）：王小龙，刘京科 高瓦斯碎软煤层“钻护测”一体化新技术 煤矿安全，（）：，（）：武沛武，朱亚飞，赵波 囊袋式全程下筛管带压封孔技术在瓦斯抽采中试验及应用 煤炭技术，（）：，（）：王力 煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔中的应用 煤炭工程，（）：，（）：秦金辉 松软煤层压风钻进及下筛管地面模拟实验 山西煤炭，（）：，（）：张军 松软煤层下筛管钻孔轨迹测量技术 煤矿安全，（）：，（）：杨忠胜，代祥文 全程下筛管与带压封孔瓦斯抽采技术分析 内蒙古煤炭经济，（）：，（）：王力，姚宁平，姚亚峰，等 煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展 煤田地质与勘探，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页），高魁东，杜长龙，刘送永，等 镐齿安装角和半锥角随截深变化规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：