陈彝龙，黄文军

（1.江西省煤炭工业科学研究所，江西 南昌330029；2.江西煤业集团有限责任公司 沿沟煤矿，江西 乐平333304）

对于原始瓦斯含量高、压力大且透气性低的煤层来说，开采保护层结合钻孔预先抽采煤层瓦斯措施是高效抽采瓦斯，防治煤与瓦斯突出的有效方法。但对于松软煤层，顺层和穿层预抽钻孔施工过程中容易垮孔、堵孔，造成钻孔有效利用段少，服务时间短，无法抽采钻孔深处的煤层瓦斯，因而抽采瓦斯浓度低，流量不稳定，不能达到预期抽采效果。

1 抽采钻孔护孔前后应力分析

1.1 钻孔周围应力分布

通常情况下，把钻孔周围的煤岩体看成是完全均质的连续弹性体，把均质连续无限或半无限弹性体中钻孔周围应力分布问题作为平面问题进行分析。随着侧压系数λ不同，会出现不同的应力状态，但孔两侧的切向应力集中系数会处于2～3之间，孔的顶、底部切向应力集中系数会处于－1～3之间（集中系数小于0即出现了拉应力区）。

图1 孔塑性变形区及应力分布

钻孔形成后，孔周围煤体集中切向应力大于煤体本身抗压（拉）或抗剪强度，孔周围出现应力重新分布，并将形成破裂区、塑性区〔1〕（见图1）。同时受煤层瓦斯径向流场或球向流场瓦斯压力的作用〔2〕，煤体残余强度小于瓦斯压力时，孔周围一定范围破裂区、塑性区煤体将垮落（即为垮落区）。此时，煤层钻孔将出现垮孔、堵孔等现象。

1.2 垮孔后钻孔周围应力分布

由于煤层松软，垮落区范围扩大，垮落区煤体丧失承载能力，孔周围煤体应力重新分布，破裂区、塑性区往深部发展。即钻孔周边煤体的垮落，扩大了钻孔对周围煤体的影响。

1.3 护孔后应力分布

若在钻孔施工完成后，预计垮孔前，即在钻孔中预先导入一特制钢管或塑管，则即使钻孔垮孔，管道内空间也将不受影响，即护孔。

由于煤具有碎胀性（碎胀系数KP），钻孔垮落区煤体将填充钻孔与管道间空隙，并沿孔周围形成一定范围的垮落区。若设钻孔半径为r0，护孔半径为r，设垮落区半径为R（见图2），则：

由上式可知，当r→r0时，R→r0，即当护孔半径等于钻孔半径时，煤体不发生垮落，垮落区最小；当r→0时，R→r0，即不护孔时，垮落区最大，但垮落煤体将填实钻孔。

图2 护孔后孔周围变形区及应力分布

由上分析可知，若抽采钻孔内导入一定管径的管道，既能消除钻孔垮孔、堵孔的问题，又能扩大钻孔对周围煤体的影响。

2 护孔技术试验使用

2.1 试用工作面概况

沿沟煤矿位于萍乐坳陷带东北端，开采煤层为上三迭统安源组，为煤与瓦斯突出矿井，历史上曾发生过多起煤与瓦斯突出事故。七2、八1、八2为可采煤层，一、二、三、四、五、六、七1、九1为局部可采煤层。煤层瓦斯含量平均为19.72m3／t；煤层瓦斯压力为0.15～3.25MPa；煤层透气性系数为0.000125～0.0062m2／atm2·d，属于较难抽采瓦斯煤层。

图3 瓦斯抽采穿层钻孔护孔示意

30702工作面位于30采区上区段，走向长260m，倾斜宽92m，标高为－270m～－340m（见图3），平均煤厚3 m，煤层倾角43°～50°，瓦斯含量5.94～7.75m3／t。该采煤工作面作为保护层开采，经计算，该区域被保护煤层预计可抽采瓦斯量分别为：无名煤层瓦斯量93959m3，八1煤层瓦斯量875950m3，八2煤层瓦斯量518851m3。

图4 瓦斯抽采顺层钻孔护孔示意

23823采煤工作面作为被保护层开采工作面位于23采区下区段，走向长420m，倾斜宽55m，标高为－220m～－260m（见图4），平均煤厚3m，煤层倾角40°～50°，瓦斯含量5.77～8.9m3／t。经计算，该区域被保护煤层预计可抽采瓦斯量分别为：无名煤层瓦斯量93959m3，八1煤层瓦斯量724185m3，八2煤层瓦斯量89725m3。工作面部分为小煤窑滥采破坏。因此，23823机巷局部采取区域条带预抽的方式进行顺层瓦斯抽采。

2.2 工作面瓦斯抽采钻孔的施工

在30702工作面－340机巷布置9个顶板（七煤）抽采钻场，每个抽采钻场向顶板布置21个穿层抽采钻孔，孔深29～83m，累计抽采钻孔深为9910m，吨煤钻孔量为0.08 m／t。在30702工作面－270风巷布置24个抽采钻场，每个抽采钻场向顶板布置3个水平穿层钻孔，孔深47～91 m，累计抽采钻孔深为4896m，吨煤钻孔量为0.04m／t，抽采钻孔孔径均为75mm。

在23823工作面－270机巷布置5个本煤层顺层条带预抽钻场，每个抽采钻场向顶板布置25个顺层抽采钻孔，孔深11～60m，累计抽采钻孔深为4900m，吨煤钻孔量为0.5m／t，抽采钻孔孔径均为75mm，经效果检验5次后，瓦斯含量值均小于8m3／t。

2.3 抽采钻孔的护孔技术工艺

护孔管的选择既要保证管道质量可靠，能长距离顺利送入井，又要经济上合理，且不影响瓦斯抽采钻孔流量和流速。经过经济、技术比较，选用Φ＝33mm的塑管作为抽采钻孔的护孔管。护孔时，首先采用5m长的Φ＝57 mm的塑管对孔口进行护孔，防止孔口因巷道顶底板来压而导致钻孔变形，发生堵孔。然后采用与钻孔同样长度的护孔管送入孔中，同时在塑管距煤层顶板2m处钻若干蜂窝状小孔。最后用聚胺脂封孔剂把施工好的钻孔孔口封好，保证各钻孔间不窜孔，不漏气。

3 取得的效果

通过采取护孔技术，矿井瓦斯抽采技术指标得到明显提高（见表1），延长了抽采钻孔的使用寿命，减少采动过程中的超前压力影响，消除了钻孔通过软岩层、煤线、泥岩及断层带时的塌孔、堵孔现象，提高了钻孔瓦斯抽采效果，为低浓度瓦斯发电项目保证了充足的气源。截止2011年4月18日，30702工作面共为地面瓦斯发电站提供了104.2万m3瓦斯量，取得了较好的效果。截止2011年3月8日，23823机巷共为地面瓦斯发电站提供了8.9万m3瓦斯量，取得了比较好的效果。

表1 30702工作面试用护孔瓦斯抽采技术前后比较

表2 23823工作面试用护孔瓦斯抽采技术前后比较

4 结语

与传统的采用增大抽采瓦斯钻孔孔径、增加钻孔暴露煤体面积来提高瓦斯抽采量相比，护孔措施在原有钻孔暴露煤体面积的基础上，利用增大垮落区来增加钻孔对煤体的卸压区，达到增加煤层透气性的效果。

通过理论分析和应用，对于煤质松软、瓦斯含量高、瓦斯压力大的煤层，若抽采钻孔内导入一定管径的特制管道，既能消除钻孔垮孔、堵孔的问题，延长钻孔使用寿命，又能扩大钻孔对周围煤体的影响，提高瓦斯抽采效果。

〔1〕钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制〔M〕，徐州：中国矿业大学出版社，2003.

〔2〕俞启香.矿井瓦斯防治〔M〕，徐州：中国矿业大学出版社，1992.