李庭斌

(神东煤炭集团布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017010)

0 引言

随着煤矿开采程度的不断加大，瓦斯越来越成为制约矿井安全生产的瓶颈，特别是工作面的瓦斯治理不到位，易造成工作面瓦斯异常超限，严重影响矿井的安全生产[1-3]。通风技术是预防高瓦斯问题的主要措施，在煤矿开采过程中起到保证煤矿安全性和稳定性的作用。低瓦斯矿井一般采用通风方式解决工作面瓦斯问题，增加巷道配风量，稀释瓦斯浓度，将瓦斯浓度降低到安全允许浓度以下，防治瓦斯超限和瓦斯事故的发生，但风量过大会造成采空区漏风量大，造成回风隅角涌出瓦斯量进一步增大[4-7]。为解决回风隅角瓦斯积聚的问题，多数矿井采用易于控制的联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接采空区的方法进行瓦斯抽采。考虑到矿井配风的整体需要及矿井防尘适宜风速、漏风率等因素的影响，矿井巷道及工作面的配风量不能过大，即使是低瓦斯矿井，仅采取通风一种措施也不能完全达到控制瓦斯的目的。为此，对瓦斯抽放钻孔的套管及配套的封孔工艺进行了研究，提出了一种安全、经济的瓦斯抽放钻孔套管及封孔工艺。

1 研究背景

1.1 工程概况

矿井概况：布尔台煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，井田面积192.63 km2，地质储量33.03亿t，可采储量20.13亿t，矿井设计生产能力20 Mt/a，服务年限71.8 a。矿井可采煤层10层，现主采煤层为22煤与42煤，22煤平均厚度3.05 m，平均埋深300 m；42煤平均厚度5.9 m，平均埋深377 m。现开采的22、42煤层自燃倾向性属于I类易自燃，煤尘均有爆炸性。矿井采用斜井、平硐、立井综合开拓方式，分区抽出式通风。

工作面概况：本项目的井下现场试验在42106综放工作面进行。42106综放面布置在42煤一盘区，工作面按煤层倾斜方向布置，沿煤层走向方向回采，工作面倾向长度309 m，走向长度5 073.8 m。煤层为31煤与42煤复合区。在距离42106工作面回撤通道661 m范围内工作面回采31煤，661 m至切眼的范围回采42煤。地面标高1 251.8～1 386.7 m，煤层底板标高912.7～988.6 m。煤厚3.46～7.05 m，平均6.1 m。回采段分叉区煤厚3.46～3.78 m，平均煤厚3.6 m，回采段复合区煤厚6.15～7.05 m，平均6.6 m，分叉复合区存在0～1.2 m的夹矸，夹矸岩性为砂质泥岩，煤层分叉复合区倾角变化很大，煤层倾角3°～9°。

1.2 瓦斯抽放情况

通风及抽放形式：布尔台煤矿绝对瓦斯涌出量27.95 m3/min，相对瓦斯涌出量0.71 m3/t，综采面最大绝对瓦斯涌出量4.74 m3/min，掘进面最大绝对瓦斯涌出量1.65 m3/min，属低瓦斯矿井，综采工作面原采用“U”型通风，配套抽放方式为上隅角埋管抽放。为提高采空区抽放效果和瓦斯抽放主管路的回收利用率，矿井改变综采工作面的通风方式，采用偏“Y型”通风，配套抽放方式为采空区插管抽放。42106工作面泵站采用2台ZWY300/355水环真空泵，额定流量300 m3/min。抽放主管路采用DN500焊管，布置在42107回风顺槽，抽放支管通过采空区联巷密闭插入42106综放工作面采空区进行抽放，随着综采面推采，逐个开启和关闭抽放支管完成综采工作面采空区的瓦斯抽放，防止综采工作面回风隅角等地点的瓦斯超限。

存在的问题及解决思路：矿井两顺槽之间联巷距离20～200 m不等，导致抽放支管之间距离不均匀，且多施工联巷成本高且管理困难。因此，为保证抽放半径均匀，在距离超过60 m的联巷中间需要施工钻孔，钻孔直径为500 mm，长度为20～25 m。为防止塌孔或者漏渣造成钻孔堵塞，影响抽放效果，需要在全孔安设与孔径匹配的管路并封孔。因井下顺槽宽度在6 m左右，管路安装只能采取多根短管逐节相连的方式，但套管直径大，短管连接处不严密，易造成局部塌孔封堵钻孔或者封孔材料堵塞钻孔，影响抽放效果，因此需要一种安全、经济的套管方式及配套的封孔工艺完成瓦斯抽放钻孔的连接和封孔，保证抽放效果。

2 工艺设计

2.1 主要要求

套管对接方式的要求：①作业过程中安全系数高；②保证各段套管对接严密；③可操作性高，不影响套管作业效率；④不影响封孔质量。

封孔工艺的要求：①可与改进后的对接方式相匹配，具有可操作性；②可实现钻孔全长封孔，保证气密性；③封孔材料满足无毒、阻燃、反应温度不高于70 ℃，材料性价比高，适合大量使用、推广。

2.2 方案设计

根据套管及封孔工艺的主要要求，通过咨询公司相关部门、收集资料、参考其他矿井经验，形成以下设计方案。

套管工艺设计：①内套袖连接。在一段套管上焊接短节，该短节外径略小于套管内径，对接时将短节插入上段套管内，完成对接，连接效果如图1所示；②螺栓连接。在套管一端焊接若干螺母，与下段套管利用螺栓连接、固定，连接效果如图2所示；③螺纹连接。在一段套管上焊接短节，该短节外径等于套管内径，在短节外侧加工外螺纹，另外在上段套管内侧加工内螺纹，两段套管通过螺纹连接、固定，连接效果如图3所示。

图1 内套袖连接效果图

图2 螺栓连接效果图

图3 螺纹连接效果图

封孔材料：因钻孔在两顺槽在之间的煤壁间施工，受采动影响等，矿压显现明显，钻孔周围煤体破损，易造成采空区气体泄漏，故需要对钻孔进行全孔封孔[8-10]。考虑到经济效益，可供选择且满足要求的充填材料包括：黄土、水泥、无机填充材料。①黄土无毒、阻燃，与水混合时不产生热量成本最低，但黄土封孔韧性、强度差，在受采动等外力影响时封孔效果易受到破坏，影响气密性。另外黄土浆凝固时间较长，且单独利用黄土浆进行封孔，无法长期在封孔空间驻留；②水泥无毒、阻燃，与水混合时会产生少量热量，成本较低，凝固后韧性、强度大，能够保证封孔气密性。但水泥凝固时间较长，单独利用水泥浆进行封孔，无法长期在封孔空间驻留；③无机充填材料无毒、阻燃，与水混合时会产生少量热量，凝固后韧性、强度大，能够保证封孔气密性且凝固需时最短。但无机填充材料成本较黄土、水泥高。

封孔工艺设计：根据以上封孔材料特性及要求，封孔工艺设计为“两堵一注”，即孔口两端口利用强度高、凝结快的材料封孔，钻孔中段利用凝结较慢但成本较低的材料充填。

3 工艺试验及应用

3.1 地面试验

套管工艺试验：首先，根据设计阶段筛选出3种套管工艺设计方案，矿机修车间按1∶1的比例各加工一套实体管路在机修车间场地进行地面对接试验，地面试验结果对照见表1；其次，由以上试验可知，内套袖连接工艺不需井下电气焊，各段套管间对接较严密，在内外套袖间衬入棉纱后，能够保证气密性。且相对其他方案加工精度要求较低，对接过程中操作容易，不影响套管效率。螺栓连接工艺也不需井下电气焊，加工作业量最少但精度要求较高，一旦焊接误差大或受外力变形则无法顺利完成套管作业，各段套管间缝隙较大且无有效补救方法。对接时成功与否取决于螺栓与螺母能否快速对准，经试验效率较低。螺纹连接工艺也不需井下电气焊，套管间密闭性最好。但加工作业量最大、精度要求最高，一旦加工误差大或受外力变形则无法顺利完成套管作业。对接期间需旋转管路紧固丝扣，完成对接，操作难度高，工作量大，经现场试验效率较低；最后，综合考虑套管工艺地面试验中3种方案的优缺点，最终确定采用内套袖套管工艺进入井下试验阶段。

表1 套管工艺地面试验结果对照表

封孔工艺试验：对比充填材料的膨胀系数、材料强度、阻燃性以及反应期间最高温度，选择合适的充填材料，完成封孔工艺设计，试验结果见表2。根据以上封孔材料特性及要求，结合封孔工艺设计，确定井下试验方案为：“两堵一注”，即两端孔口利用强度高、凝结快的无机充填材料封孔，钻孔中段利用凝结较慢但成本较低的水泥封孔。

3.2 井下试验

钻孔试验：井下试验地点选择在42106综放工作面，42106综放工作面瓦斯抽放钻孔在42106运输顺槽、42107回风顺槽间保护煤柱中施工，根据两侧顺槽高差不同，钻孔角度-3.4°～13.2°，孔径为500 mm，共施工55个瓦斯抽放钻孔，钻孔施工完毕后需利用DN350螺旋焊管进行套管并进行封孔作业。钻孔施工剖面图如图4所示。本次试验选择42106综放工作面9#、10#两个钻孔进行钻孔套管及封孔试验，钻孔相关参数见表3。

表2 封孔材料地面试验结果对照表

图4 瓦斯抽放钻孔剖面示意图

表3 42106瓦斯抽放钻孔参数表(9#、10#)

套管工艺试验：试验利用内套袖套管工艺对上述两个钻孔进行套管，套管管材选用DN350螺旋焊管，由机修车间提前将备用管材加工为5 m一根的短管，每个钻孔需5根短管。在5根短管中的4根短管一端焊接内嵌接头，并在其中1根短管另一端焊接DN350法兰。套管管材加工示意图如图5所示。套管管材准备完毕后，对已施工完毕的钻孔进行套管试验，并对套管作业过程进行了详细的跟踪记录。采用内套袖套管工艺时，全部完成套管作业平均耗时350 min，其中纯作业时间为264 min，略少于原有套管工艺。作业期间套管工艺未出现明显缺陷，各环节也无严重安全隐患.井下试验结果表明，内套袖套管工艺安全、可靠、高效。

图5 套管管材加工示意图

封孔工艺试验：试验地点仍为42106综放工作面9#、10#钻孔。试验主要分为2个步骤，即：两侧孔口封堵、两侧孔口间空隙充填，并详细跟踪和记录。通过试验记录数据可知，平均每个钻孔封孔耗时296 min，鉴于每个钻孔需多次注浆方能完成全孔封孔，因此当多个钻孔需进行封孔时，通过科学安排工序，单个钻孔封孔耗时还会进一步降低。封孔作业期间，孔口两侧用无机材料封堵位置、套管管壁内侧未出现明显漏浆现象，表明改进后的封孔工艺与内套袖套管工艺能够有效匹配[11-12]，但完成套管及封孔的钻孔气密性还需进一步验证。

钻孔气密性验证：为了验证采用新工艺套管、封孔的9#、10#钻孔气密性，10#钻孔进入采空区后开始每日对9#、10#钻孔外瓦斯浓度进行监测，10 d后改为每周监测，监测结果见表4。观测数据说明，9#、10#钻孔在进入采空区后，气密性良好，无明显漏气、漏水现象，即两端孔口利用强度高、凝结快的无机充填材料封孔，钻孔中段利用水泥封孔工艺的气密性符合要求。

3.3 应用情况

应用范围：布尔台煤矿在42106采煤工作面应用，之后每个采煤工作面全面推广，平均每年有3个采煤工作面需提前施工瓦斯抽放钻孔并套管、封孔，平均每个工作面需施工50个钻孔，即每年共有150个钻孔应用此套管、封孔工艺，现累计应用钻孔数已超过400个。

经济效益：瓦斯钻孔套管涉及的费用主要有人工成本、车辆成本、材料消耗等费用。经计算使用此工艺前单孔成本5.44万元，使用此工艺后单孔成本2.27万元，单孔节约费用3.17万元，每年节约费用475.5万元。

安全效益：①改进后的套管工艺保证了套管质量、封孔质量，降低了施工风险，提高了施工作业的安全性；②改进后的套管工艺基本原理是对套管端口处进行加工以实现顺利对接，该项作业可在套管入井前在地面完成，简化了井下作业环节，减少安全隐患；③改进后的封孔工艺，以无机充填材料替代高分子材料，消除了封孔过程中出现高温的隐患。

表4 钻孔气密性监测表

4 结语

通过工艺设计、地面试验、井下试验等几个阶段的研究与验证，提出了一种安全、可靠、高效的内套袖套管工艺及配套的封孔工艺。套管工艺采用内套袖套管工艺，封孔工艺采用“两堵一注”的全孔封孔工艺，并确定了两端孔口利用强度高、凝结快的无机充填材料封孔，钻孔中段利用凝结较慢但成本较低的水泥封孔。此外，套管过程中以人力为主要动力来源，对作业效率存在负面影响，寻找一种既安全又高效的套管施工动力源是下一步需要探究的课题。