文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
煤岩裂隙瓦斯抽采是实现煤矿瓦斯治理的主要手段，其中高位裂隙瓦斯抽采是解决矿井瓦斯问题的重要技术措施。
传统高位裂隙瓦斯抽采的关键是如何在顶板条件较差的情况下保证钻孔顺利贯通，即确保钻孔在整个施工过程中不会出现塌孔、钻进困难等现象。
而影响钻孔施工质量的因素很多，其中最重要的是钻孔在进入煤层后，煤壁内存在大量裂隙，致使钻孔周围岩层裂隙发育瓦斯抽放管，甚至出现贯通现象，从而导致抽采钻孔漏气、漏气影响抽采效果。
为了解决上述问题，本文以某矿为工程背景，对其顶板复合型顶板高位裂隙瓦斯抽采钻孔护孔技术进行研究，并应用于现场施工。
该工作面煤层底板为典型的复合顶板，即：直接顶为岩层，直接底为坚硬的泥岩、砂岩、粉砂岩；基本顶为岩层，基本底为泥岩、砂岩。在复合顶板条件下进行高位裂隙瓦斯抽采，对钻孔的施工要求较高，施工过程中应重点关注钻孔的护孔效果。
工作面瓦斯抽采情况
工作面煤层赋存条件：工作面煤层以山西组、太原组和本溪组三个岩层为基本底板，由一次采全高综采的基本顶板和二次采全高综采的基本顶两部分组成，且回采工作面顶板以半坚硬顶板为主。
工作面瓦斯来源及涌出特征：（1）瓦斯来源：本煤层瓦斯和煤巷掘进中的瓦斯涌出。
（2）瓦斯涌出量：本煤层及邻近层瓦斯约占总涌出量的85%~90%，其中高位钻孔抽放是主要瓦斯来源，约占总瓦斯量的80%。
（3）瓦斯涌出特征：工作面回风侧采空区中部和上隅角的瓦斯量较大，下部回风巷及采空区上部抽放钻孔的瓦斯量相对较小，工作面回风侧抽采巷上部抽放孔和下部回风巷抽采孔的瓦斯量都很小，大部分为无瓦斯涌出。
（4）瓦斯抽放浓度：工作面回风侧和上隅角的钻孔抽放孔的平均抽放浓度较高，约为15%~25%，煤巷掘进中的钻孔平均抽放浓度较低，约为5%~10%。
工作面瓦斯抽采方法：（1）高位钻孔抽采：本煤层高位钻孔抽采是工作面主要抽放方法。高位钻孔主要布置在工作面回风巷及上隅角，距煤层顶板以上5m处。
（2）裂隙带钻孔抽采：本煤层裂隙带钻孔主要布置在煤体裂隙带内，距工作面回风巷6m处。
（3）采空区瓦斯抽采：本煤层采空区瓦斯抽采是工作面瓦斯治理的重要手段之一。采空区瓦斯抽采是将工作面采空区内的瓦斯抽出，并用来取代回风流中的瓦斯，防止回风中瓦斯浓度超限和煤尘爆炸事故的发生，保证矿井安全生产。
（4）本煤层钻孔抽采：本煤层钻孔是对本煤层采空区及邻近层的瓦斯进行抽采，一般采用大孔径、深孔布孔、多级多层布置的方式，布置在工作面回风巷、切眼巷、回风顺槽及运输大巷，钻孔直径75 mm，单孔抽采量0.5m3/min以上，最大抽采量可达到2.5m3/min以上。
（5）高负压钻孔抽采：本煤层高位钻孔抽采是在工作面推进过程中，利用高负压抽采设备，将工作面顶板裂隙带内的瓦斯抽采出来，从而保证工作面安全生产。
（6）瓦斯抽放泵站：在工作面回风巷外建设瓦斯抽放泵站，将采空区内的瓦斯抽采出来，从而保证工作面的安全生产。
高抽巷的布置方式
针对回采工作面在走向推进过程中，直接顶、基本顶和直接底的结构变化，以及工作面走向推进过程中采动裂隙发育，直接顶和直接底的变形破坏特点，综采工作面高抽巷布置在工作面走向长度方向上。
工作面走向长度为1200m，其中：回采工作面长度为735m，布置两个高抽巷，之间的距离分别为300m和100m。
在回采工作面的走向方向上布置两个高抽巷，使高抽巷的位置在工作面的走向方向上，既保证了工作面的安全生产，又能够充分利用采空区内的瓦斯。
如果将高抽巷布置在工作面长度方向上，由于工作面的采动影响，使回采工作面采空区内形成了一定大小的裂隙带，当该裂隙带存在一定程度时，会使高抽巷位置发生偏移，使得抽采效果不理想。
因此，为保证采煤工作面的安全生产，采用在工作面长度方向上布置高抽巷，以减少采空区瓦斯涌出量。
将工作面的走向方向上布置两个高抽巷的位置分别为：A高抽巷布置在工作面的顶板上，B高抽巷布置在工作面的底板上。
通过现场实践表明：在回采工作面的走向方向上，将两个高抽巷分别布置在采空区上、下两个位置时，采空区上方瓦斯涌出量都有一定程度的减小，效果非常明显。
为保证综采工作面回采期间高抽巷能够发挥其应有的作用，保证回采工作面的安全生产，对高抽巷的布置进行优化。
将高抽巷布置在煤层底板中时，由于煤层底板是由砂岩组成的，其硬度相对较大，因此，在对煤层底板进行开凿时会受到限制。
因此在对顶板进行开凿时不会受到限制，将高抽巷布置在采空区上、下两个位置时，由于采空区上方形成了一定面积的裂隙带。因此其硬度相对较小。
如果高抽巷布置在顶板上时，由于采空区上方形成了一定面积的裂隙带，因此，在对高抽巷进行开凿时，需要对采空区上方裂隙带进行开凿，这会使高抽巷的位置发生偏移，造成高抽巷位置偏移，影响高抽巷的作用发挥。
因此，为了保证综采工作面回采期间高抽巷能够发挥其应有的作用，需要将两个高抽巷分别布置在工作面的顶板上和底板上。
由于综采工作面回采期间回采速度较快，使煤层逐渐被开采出来。因此，在对煤层进行开采时，需要将高抽巷布置在采空区上、下两个位置。
将两个高抽巷分别布置在采空区上、下两个位置时，由于采空区上方形成了一定面积的裂隙带。
钻孔施工及封孔工艺
采用“先钻孔后护孔”的施工顺序，先施工距离钻孔底5m~7m的小直径钻孔，待小直径钻孔达到设计孔深后，再施工距离钻孔底6m~8m的大直径钻孔，每米终孔时，均采用风动钻机进行终孔，使终孔长度达到设计要求。
采用“三护一封”的封孔工艺。
（1）护孔：护孔剂通过护孔剂压裂管进入孔口与孔壁之间的煤体中，经高压水冲洗后从护孔剂压裂管中流出，到达钻孔底。
（2）封孔：在封孔过程中，封孔材料随钻随用。采用双液封孔法封孔：将封孔剂（水泥砂浆）加入到钻杆和钻机进浆口之间，采用水泥砂浆封住钻杆和钻机进浆口；将水泥砂浆注入到钻孔内的煤体中；使用高压水对钻孔进行冲洗，使泥浆从钻孔底流出。
（3）封孔后，应检查和修补护孔剂压裂管是否漏浆，如发现漏浆要及时更换新的压裂管。
施工：在钻机就位后，采用套管护壁法进行护孔。
第一次钻孔施工时，用钻机下入套管护壁；第二次钻孔施工时，将套管与钻杆连接处用铁丝扎牢；第三次钻孔施工时，将套管与钻杆连接处用铁丝扎牢；
第四次钻孔施工时，用水对套管护壁封孔：在完成第一次钻孔的封孔后，再下入套管护壁。在每个封孔段内采用三种不同的封孔材料进行封孔。
水泥砂浆：在第一次封完后，再下入一节直径为10 cm的 PVC管和一节直径为20 cm的 PVC管。
应用前景及发展趋势
工作面复合顶板高位裂隙瓦斯抽采钻孔护孔技术的应用，减少了瓦斯抽采过程中的顶板破坏和岩层冒落，解决了高位裂隙瓦斯抽采过程中的瓦斯超限问题，确保了工作面安全高效回采。
同时，该技术在我国煤矿推广应用后，实现了煤与瓦斯共采的目标，能够有效提高煤炭产量和开采效率，提高煤矿的经济效益。
根据现场试验结果表明：采用复合顶板高位裂隙瓦斯抽采钻孔护孔技术后，钻孔周围煤体在向下移动的过程中受到挤压形成较大的水平应力，从而降低了钻孔周围煤体的抗拉强度，提高了钻孔周边煤体的完整性。
通过对护孔材料、封孔方式等方面的优化及改进后，能够有效提高封孔质量，减少封孔材料消耗。
利用该技术进行高位裂隙瓦斯抽采时，有效降低了煤体瓦斯抽采压力、瓦斯抽采量和抽采率，在保障煤矿安全生产、提高经济效益等方面具有重要作用。
该技术在煤矿现场试验成功后瓦斯抽放管，不仅可以提高煤与瓦斯共采率，还可以延长矿井服务年限、降低煤炭开采成本、提高矿井产量和经济效益。
该技术在煤矿井下进行推广应用后，能够减少采空区遗留瓦斯涌出量和抽采不达标钻孔数量；同时减少了钻孔施工工序、降低了施工成本、缩短了施工时间。
利用该技术对巷道进行护孔时，不仅能够降低巷道围岩岩层垮落对巷道的影响，还可以加快瓦斯抽采钻孔的施工进度。
笔者观点
基于本研究，首先，应明确工作面走向高位钻孔的方位角、倾角及终孔位置的影响，且应结合工作面开采地质条件合理选取钻孔方位角及终孔位置；
其次，应根据工作面地质条件合理确定钻孔长度，确保终孔位置位于本煤层底板或倾向煤壁；最后，在现有技术条件下，建议钻孔直径选择为Φ78 mm或Φ80 mm，钻孔长度根据工作面布置情况确定，不建议超过8m。
针对上述问题，可从以下几个方面进行优化：（1）根据工作面推进速度、工作面长度及钻孔的布置情况确定不同的终孔位置；
（2）结合现场实践经验，适当调整钻孔方位角；（3）根据工作面走向长度合理选取终孔位置；（4）根据不同的煤层顶板条件合理选择终孔高度；（5）根据本煤层底板岩层条件合理确定终孔倾角。
参考文献
1.李阳：《采煤工作面顶板瓦斯抽采技术的研究与应用》，中国矿业大学学报（自然科学版），2018,25 (01）。
2.王传豪：《瓦斯抽采钻孔不同装药方式对钻孔抽采效果的影响》，煤炭科学研究技术学报，2018,10 (01)。
3.陈平：《煤巷掘进工作面上隅角瓦斯超限的原因及治理措施》，煤炭科学研究技术学报，2017,25 (01)。
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