一种厚煤层采动卸压带定向长钻孔双层管封孔方法

本发明属于瓦斯抽采封孔，具体涉及一种厚煤层采动卸压带定向长钻孔双层管封孔方法。

背景技术：

1、目前，对于开采厚煤层煤矿，由于采动造成较大范围煤层卸压，导致回采工作面回风流瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯浓度高是困扰采面安全生产的主要因素。为研究安全高效的采面瓦斯抽采技术，煤矿科研人员研发了煤层顶部裂隙带高位抽采瓦斯技术，一定程度缓解了采面瓦斯问题。煤层顶部裂隙带高位抽采技术依据回采工作面煤层顶板存在“竖三带、横三区”，认为弯曲下沉带和裂隙带内尺度各异的孔裂隙结构为工作面采空区，为瓦斯运移、流动、储藏提供了途径和空间，瓦斯的高扩散性、低粘滞性使采空区瓦斯在弯曲下沉带和裂隙带位得到提纯，裂隙带内瓦斯浓度明显高于下部冒落带内瓦斯浓度。如果在裂隙带内布置钻孔抽采，将抽采到浓度高、纯量大的瓦斯，有效降低工作面回风流瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度。但是，受传统打钻技术工艺影响，钻孔有效长度短，轨迹无法控制，煤层顶部裂隙带高位抽采瓦斯技术存在单孔高效抽采距离短、抽采瓦斯浓度偏低的问题、抽采效果不稳定、成本高、钻孔施工工程量大，严重影响瓦斯抽采效果。

2、近年来我国定向长钻孔施工技术、装备得到长足发展，定向钻孔优势如下：①采用随钻测量系统，钻孔轨迹可以起伏，一直处于顶板裂隙带合适中，确保钻孔抽采有效稳定；②大幅提高单孔施工深度，减少钻孔搭接长度，以及钻孔起始与结束的不合理层位，提高了单孔瓦斯抽采范围；③钻机挪移次数少，钻进效率高，单次循环控制距离长，有效缩短施工工期，缓解采掘接替矛盾。因此，裂隙定向长钻孔抽采瓦斯技术受到重视，即利用煤矿井下定向钻进技术与装备，在煤层顶板裂隙带施工长距离大直径定向钻孔，以顶板裂隙作为瓦斯流动通道来抽采工作面上覆岩层、煤层及工作面上隅角的瓦斯，改变采空区瓦斯流向分布，有效减少采空区和邻近层瓦斯向工作面上顺槽流动，从根本上解决采空区或邻近层瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回风巷瓦斯超限的问题，保证采煤工作面安全作业，提高采面生产能力。

3、分析裂隙带定向长钻孔抽采瓦斯技术关键技术，除定向长钻孔设计层位、坡度、平面位置完成施工外，处于厚煤层邻近工作面采动卸压带封孔质量是关系到抽采效果的另一关键技术。如果封孔方法与工艺不足以支撑邻近工作面采动卸压形成的煤岩层严重变形、变形造成的裂隙发育，导致定向长钻孔不能满足长期高负压抽采需要的密封效果，定向长钻孔难以实现高浓度、高纯量、长距离长期抽采的目标。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、安全可靠、确保定向钻孔不变形、密封效果好的厚煤层采动卸压带定向长钻孔双层管封孔方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种厚煤层采动卸压带定向长钻孔双层管封孔方法，包括以下步骤：

3、s1、采用理论分析、数值模拟、工程实践一系列综合分析方法，分析厚煤层回采工作面采空区周围卸压带范围，结合钻孔设计参数与钻机工艺分析，预测卸压带对定向长钻孔施工与抽采瓦斯影响程度与范围，设计一种针对厚煤层定向长钻孔抽采的双层管封孔结构；

4、s2、依据预计抽采瓦斯纯量、单孔抽采瓦斯混合量，设计主体抽采钻孔直径、主体抽采钻孔长度，取得定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯正常抽采负压和困难情况下抽采负压；

5、s3、采用理论分析、数值模拟、工程实践一系列综合分析方法，确定双层管封孔结构的内孔口管长度、直径、坡度以及封孔深度，为确定双层管封孔结构的外孔口管直径、坡度提供参考；

6、s4、分析厚煤层回采工作面采空区周围卸压带范围对定向长钻孔施工影响程度与范围，满足内孔口管、外孔口管的直径匹配需要，确定外孔口管长度与直径，安装方法；

7、s5、根据封孔段钻孔坡度，为满足封孔质量稳定、效果均匀可靠、操作简便，选用水泥砂浆封孔材料，采用多期次内插注浆管封孔方法，依次完成外孔口管和内孔口管封孔；

8、s6、完成封孔后，分析封孔质量，采用钻孔铅直水柱压力观测法完成封孔效果检验，保证封孔效果满足困难情况下抽采负压需要。

9、步骤s1具体过程为：

10、分析判断回采工作面采空区周围卸压带范围，结合各项参数分析卸压带的定向长钻孔抽采瓦斯影响程度与范围；矿山压力显现特征表明环绕回采工作面采空区周围存在卸压带和集中应力带，根据煤岩层变形卸压程度分为严重变形卸压带和一般变形卸压带；我国大多数煤矿开采分为缓倾斜煤层和倾斜煤层，紧邻采空区8~10m的环状条带煤岩严重破碎，裂隙发育，为严重变形卸压带；再向外约4~6m环状条带为一般变形卸压带，并向外转入集中应力带；

11、受采动集中应力影响，严重变形卸压带的煤岩层变形破坏严重，裂隙发育，渗透性好，如果不妥善处理不仅对邻近工作面施工定向长钻孔产生重要影响，施工定向长钻孔时容易发生垮孔、掉碎块导致钻进速度缓慢，甚至施工失败，而且造成抽采钻孔泄漏，严重影响抽采瓦斯效果；

12、一般情况下缓倾斜煤层和倾斜厚煤层的工作面上顺槽下帮与邻近工作面采空区间距约8~10m，下一个采面煤层顶板岩层卸压角与定向长钻孔决定了布置的定向长钻孔与上顺槽之间有一个13~30°的水平夹角，计算得到定向长钻孔初始段12~18 m长度处在邻近工作面采空区形成的严重变形卸压带，18~30m长度段处在邻近工作面采空区形成的一般变形卸压带；

13、为保证钻进施工速度与施工顺利，在严重变形卸压带施工较大直径钻孔，在大直径钻孔先设置外孔口管，作为整体钻孔施工的保证；整体钻孔施工完成后在一般变形卸压带安装直径符合设计，与外孔口管内设置匹配的内孔口管，作为正常抽采封孔管，形成双层管封孔结构。

14、步骤s2具体过程为：

15、根据瓦斯抽采实际需要预计单孔抽采瓦斯混合量，设计定向长钻孔直径、定向长钻孔长度，考虑钻孔变形情况，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压，为抽采系统选型、封孔提出了明确要求；

16、煤层采动裂隙带长钻孔抽采负压是保证采空区瓦斯气体流入钻孔，进入抽采管道，被抽进抽采泵的动力；裂隙带长钻孔抽采瓦斯与正常顺煤层穿煤层抽采钻孔不同：正常顺煤层穿煤层内瓦斯处于几百kpa至数千kpa，甚至更高的正压状态，为煤层瓦斯流入钻孔提供了部分动力；裂隙带长钻孔抽采的瓦斯处于采场周围，矿井主要通风机形成的微负压状态，只有长钻孔内抽采负压在瓦斯气体克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余负压明显低于采场负压，改变采空区瓦斯流场，才能实现大流量抽采瓦斯目标；

17、根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，估算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，由于定向长钻孔初始截面形状为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽采管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力采用概算法，按直管阻力损失的15%计算；

18、根据计算公式，考虑定向长钻孔最大长度600m，定向长钻孔直径按ф110mm，每孔抽采瓦斯混量按8 m3/min计算，在钻孔不垮孔、不变形、无堵塞、无积水的情况下，考虑局部阻力，需要克服的阻力约4.5kpa；由于钻孔较长，需要穿过许多岩层，部分孔段可能发生各种形状变形收缩；由于钻孔坡度难以保证稳定，可能在低洼处积水减少瓦斯流动面积，这些都将增加瓦斯流动阻力，计算显示如果部分钻孔截面积缩小为原来的0.5倍或者更小，孔口负压可能需要25kpa；面积进一步缩小，需要抽采负压更高，甚至可能达到30~40kpa；

19、裂隙带定向长钻孔高负压抽采工况增加了封孔的难度，对封孔质量提出了更高的要求，正常顺煤层、穿煤层抽采钻孔需要满足13kpa抽采负压即可，只需封孔长度为5~8m；比较而言，裂隙带定向长钻孔抽采需要更高的抽采负压。

20、步骤s3具体过程为：

21、分析预测内孔口管长度与直径、坡度，以及封孔深度，为确定外孔口管直径、坡度提供依据；综合理论研究、数值模拟、工程实践，以及钻场布置影响分析结果，要求内孔口管长度应不小于30m，对应的封孔深度同样不小于30m；为控制抽采瓦斯过程中内孔口管造成的阻力，减少孔口管与钻孔连接处局部阻力，同时兼顾施工难度，要求内孔口管直径应与定向长钻孔直径相近；如果定向长钻孔直径ф110mm，则内孔口管直径设计为ф100m；

22、内孔口管和外孔口管采用钢管或者硬质塑料管，要求封孔段钻孔必须呈直线；由于封孔段钻孔坡度、长度、方位直接影响到定向长钻孔施工、层位与平面位置，而定向长钻孔的封孔段坡度、长度、方位又受到定向钻进施工工艺参数限制，需要将上述各因素综合分析，设计最优的内孔口管与封孔段长度、坡度。

23、步骤s4具体过程为：

24、由于严重变形卸压带呈煤岩层变形破坏严重，裂隙发育，渗透性增强，形成打钻时钻孔围岩掉渣、垮孔、缩孔，抽采时漏气的危险；如果不妥善处理邻近对工作面施工定向长钻孔产生重要影响，施工定向长钻孔时容易发生垮孔、掉碎块导致钻进速度缓慢，甚至施工失败；一般情况下缓倾斜煤层和倾斜煤层受邻近工作面采空区影响，采用无煤柱或小煤柱布置下一个工作面，新布置工作面上顺槽下帮下部约10m宽条带为严重变形卸压带，造成定向长钻孔初始12~18m长度处在邻近工作面采空区形成的严重变形卸压带；对此种情况的处理应实现两个目的，一是使严重变形卸压带的煤岩层重新得到固结增强，保证施工钻孔时不发生严重垮孔、缩孔问题，二是封堵联系钻孔与巷道之间的漏气通道，保证抽采瓦斯浓度较高；对比各种处理方法，采用在此严重变形卸压带内先施工一个大直径钻孔作为外孔口管安装孔，安装钢管作为外孔口管，采用注浆方法加固，使整个抽采钻孔施工在外孔口管的保护下进行，同时隔断定向长钻孔与巷道之间的漏气通道，很好地实现两个目的；

25、根据预测的内孔口管直径，结合内孔口管安装时需要与外孔口管之间必要的环状间隙，内外孔口管平直度，外孔口管安装后施工继续钻孔的平直度，内孔口管安装操作要求，综合分析确定外孔口管直径；外孔口管内径与内孔口管外径之间有30~ 40 mm的间隙，如果内孔口管直径ф110mm，则外孔口管直径应设计为ф150 mm；综合考虑安装外孔口管的目的，以及施工大直径安装钻孔的安全，外孔口管长度略超过严重变形卸压带即可；豫北某矿施工的定向长钻孔约18m长度处于严重变形卸压带，先施工的大直径安装钻孔长度为20.5~21 m，外孔口管安装长度为20m。

26、步骤s5具体为：

27、根据封孔段钻孔坡度，为满足封孔质量稳定、效果均匀可靠、操作简便的总体要求，选用水泥砂浆封孔材料，采用多期次内插注浆管封孔方法，完成内孔口管封孔；内孔口管封孔需要实现两个目的：一是作为定向长钻孔与抽采管路连接段，抽采瓦斯流动通道；二是有效封堵定向长钻孔与巷道之间空气流通通道，保证抽采负压与抽采瓦斯浓度；虽然处于邻近工作面采空区形成的严重变形卸压带中裂隙通过外孔口管安装完成封堵，但是，初始钻孔18~30m长度段仍处在邻近工作面采空区形成的一般变形卸压带，加上施工定向长钻孔过程中围岩新形成变形卸压带，产生新的裂隙，二者叠加一起，抽采瓦斯时一般变形卸压带内煤岩裂隙仍可能沟通封堵范围之外而成为漏气通道；因此，需要安装内孔口管对这些裂隙进行封堵。安装内孔口管后由于内、外孔口管之间存在环状间隙，抽采前必须封堵该间隙，且要求封堵材料不会产生裂隙，封堵严密；按照上述分析，根据定向长钻孔开孔段为正向坡度的特点，在已经安装20m长的外孔口管基础上，采用多期次内插注浆管封孔方法，再安装一个长度30m的内孔口管，封堵邻近工作面采空区一般变形卸压带内煤岩裂隙，以及施工定向长钻孔过程中围岩变形卸压产生的新裂隙。

28、步骤s6具体为：

29、完成封孔后，根据定向长钻孔坡度、层位高差，抽采困难情况下负压要求与适度安全系数，本着受检测区域最小，检测时间最短的原则，采用定向长钻孔铅直水柱压力观测法完成封孔效果检验，确定封孔效果是否满足抽采困难情况下负压需要；

30、分析可知抽采困难情况下要求抽采负压达到30~40kpa，正常状况下理论最大抽采负压只有100 kpa，考虑2倍安全系数，且不对封孔作破坏性检验，设计负压达到80kpa即可，即8m水柱高度的压力；由于煤岩层作为多孔介质，如果封孔质量部合格，任何两点之间只要存在压力差，流体即可发生一定量渗透，使源头处压力值降低。反之，在设定压力差范围内，钻孔围岩与封孔材料密封性符合要求，流体基本不发生渗流，流体源头处压力值基本稳定；定向长钻孔铅直水柱压力观测法的检测结果不受压力方向影响，确定封孔密封性能可靠。

31、双层管封孔结构包括外孔口管和内孔口管，内孔口管长度大于外孔口管，内孔口管同轴向设在外孔口管内部，外孔口管同轴向设置在先施工的大直径安装孔内，大直径安装孔为孔口低、孔底高的倾斜状，外孔口管外圆与大直径安装孔内圆之间的第一环形腔由孔口向孔底依次为第一聚氨酯封孔段和第一水泥砂浆封孔段；内孔口管外圆与外孔口管内圆之间形成的第二环形腔由孔口向孔底依次为第二聚氨酯封孔段和第二水泥砂浆封孔段；

32、外孔口管位于孔口外侧的端口设有套在内孔口管外圆的环形防溢挡板，环形防溢挡板内圆设有与内孔口管外圆密封配合的第一密封圈，环形防溢挡板通过周向设置的若干个第一螺钉与外孔口管端面连接，；

33、内孔口管位于孔口外侧的端口设有圆盘形挡板，圆盘形挡板通过周向设置的若干个第二螺钉与内孔口管端面连接，圆盘形挡板与内孔口管端面之间设有第二密封圈；圆盘形挡板上设有穿管孔。

34、设置双层管封孔结构的具体过程为:

35、（1）准备好外孔口管与安装所用材料，包括聚氨酯ab料、水泥砂浆、法兰盘、注浆泵、注浆管和排气返浆管，注浆管和排气返浆管长度大于外孔口管；法兰盘上开设有两个分别用于穿过注浆管和排气返浆管的通孔；

36、（2）利用钻机快速将若干节串联的外孔口管推入大直径安装孔，在最后一节外孔口管周围捆绑合适数量的聚氨酯ab料，将a料氧化剂与b料还原剂混合均匀，聚氨酯ab料快速反应膨胀，初步将外孔口管外圆固定到大直径安装孔内；

37、（3）将法兰盘安装封堵在外孔口管下端口，法兰盘上的两个通孔分别穿入塑料材质的注浆管和排气返浆管，让注浆管和排气返浆管上端伸入到大直径安装孔的孔底；完成注浆准备工作；

38、（4）连接注浆管与注浆泵，混合搅拌均匀水泥砂浆，启动注浆泵，将水泥砂浆注入到大直径安装孔内，水泥砂浆填充到外孔口管内部以及外孔口管外圆与大直径安装孔内圆之间的第一环形腔内部，直至排气返浆管下端口排出含有较多水泥砂浆后停止注浆，让水泥砂浆沉淀凝固硬化，实现妥善处理严重变形卸压带的目的；由于注浆管较短，注浆泵与注浆管出浆口高差较小，一般为7~8 m，因此适当提高水泥砂浆浓度；

39、（5）水泥砂浆凝固硬化至硬度符合要求后拆除法兰盘，完成外孔口管安装固定，接着沿外孔口管中心线方向对在外孔口管内部凝固的水泥砂浆块进行钻进；钻进到达到一定长度后停止，形成直径与外孔口管内径相当、长度大于大直径安装孔的内管安装孔；

40、（6）采用多期次内插式注浆封孔方法与工艺，需用材料与设备包括注浆泵、挂钩式注浆管、水泥砂浆、聚氨酯ab料和环形防溢挡板。环形防溢挡板采用法兰连接方式安装在外孔口管下端口，封堵外孔口管内圆与内孔口管内圆之间的环状间隙；使用水泥砂浆作为封孔材料，利用其具有流动性、强度高和用量可控的特点，注浆直至充满内孔口管外圆与外孔口管内圆之间环状间隙、内孔口管外圆与内管安装孔周围煤岩之间环状间隙、安装外孔口管时封堵程度不够的严重变形卸压带中裂隙以及施工钻孔形成的钻孔围岩裂隙；由于环形防溢挡板、圆盘形挡板对外孔口管及内孔口管的封堵，在内孔口管外圆与外孔口管内圆之间形成的第二环形腔、内孔口管外圆与内管安装孔内圆之间的环状间隙以及内孔口管内部形成的密闭空间注满水泥砂浆后泥浆自重将产生一定压力，为水泥砂浆沉淀压实、渗入围岩裂隙提供动力，有效保证封孔质量；注浆管由若干节连接而成，上端设计为挂钩式，方便注浆时挂在内孔口管上端；

41、（7）利用钻机快速将若干节串联的内孔口管推入外孔口管和内管安装孔内部，在最后一节内孔口管周围捆绑合适数量的聚氨酯ab料，将a料氧化剂与b料还原剂混合均匀，聚氨酯ab料快速反应膨胀，初步将内孔口管外圆固定到外孔口管下端口内；接着将环形防溢挡板套到内孔口管上并固定连接到外孔口管下端口，确保聚氨酯ab料不向下外溢；

42、（8）从内孔口管内插入注浆管，长度基本与内孔口管长度相等，使挂钩式注浆管的挂钩方便挂到内孔口管上端边缘，临时固定挂钩式注浆管，挂钩式注浆管的出口端伸入到内孔口管外圆与内管安装孔周围煤岩之间环状间隙，将挂钩式注浆管下端口与注浆泵连接，满足注浆条件；此时内孔口管作为返水管；

43、（9）搅拌均匀水泥砂浆，启动注浆泵开始注浆，浆液通过挂钩式注浆管出口向内孔口管外圆的环形密闭空间注入，当内孔口管外圆的密闭空间注满水泥砂浆后再继续一段时间，至水泥沙粒经过初步沉淀后沉入至环形密闭空间中下部，浓度较低泥水通过内孔口管上端口向下流出，直至内孔口管下端口返浆中泥、沙浓度较大时，停止注浆，让已经注入内孔口管外围环形密闭空间注满水泥砂浆较长时间沉淀，完成第一次注浆；

44、（10）等到所注入水泥砂浆充分沉淀后，经过八个小时或一天，继续采用已有注浆泵和挂钩式注浆管开始第二次注浆；因前次注入水泥砂浆密度较大，已沉淀，新注入水泥砂浆首先挤出充填前次注浆沉淀分层后停留在上部的浆水，然后经过初步沉淀后浓度较低泥水通过内孔口管流出；返回的砂浆浓度较大时，停止注浆，完成第二次注浆；不难理解，等到此次所注入水泥砂浆充分沉淀后，注浆沉淀分层后停留在上部的浆水段长度将远小于第一次注浆沉淀分层后停留在上部的浆水段长度；如此反复注浆作业3~4次，则内孔口管外围环形密闭空间基本充满固态、凝结较好泥砂，较好地实现封孔效果。

45、步骤s6中定向长钻孔铅直水柱压力观测法进行封孔效果检验的具体过程为：

46、（1）在内孔口管下端口法兰连接有一个圆盘形挡板，圆盘形挡板上连接有测压管，测压管上安装有阀门和最小刻度为1~2kpa测压表；

47、（2）测压管连接井下巷道中供水管，井下巷道中供水管中的水压可达数百kpa，开启阀门后水压将在正压力作用下通过测压管快速流入内孔口管，继续向上流入内管安装孔和定向长钻孔，由于水液体积具有近于不可压缩特征，所以初始流入钻孔后水压不会突然升高，随着水柱高度不断升高，测压表读数逐步变大，当测压表读数达到80kpa时关闭阀门，观测测压表变化；

48、（3）由于受检测区域最小，导致定向长钻孔内水渗流的途径单一，如果封孔质量合格，测压表读数很快就会稳定，观测24小时，如果测压表读数很快就会稳，表明封孔合格，通过压力检测；

49、（4）拆除内孔口管下端法兰的圆盘形挡板，放出检测注入定向长钻孔内的水，把内孔口管下端与巷道抽采系统连接，进入抽采瓦斯阶段。

50、采用上述技术方案，本发明根据厚煤层开采矿山压力显现特征，采用理论分析、数值模拟、工程实践等综合分析方法，结合定向长钻孔抽采钻孔设计参数、施工工艺参数，分析研究了回采工作面采空区周围卸压带范围，卸压带对定向长钻孔施工、封孔、抽采瓦斯影响程度与范围；依据分析设计的抽采瓦斯混合量，主体抽采钻孔直径、定向长钻孔长度，得出定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯正常抽采负压和困难情况下抽采负压，发明了厚煤层采动卸压带定向长钻孔双层管封孔方法，包括确定外孔口管长度、直径，封孔方法，内孔口管长度与直径、坡度与封孔深度，封孔材料选用与多期次内插管封孔方法，封孔步骤，定向长钻孔施工问题解决方案等；按照发明的封孔方法完成定向长钻孔双层管封孔工作，封孔后采用钻孔铅直水柱压力观测法完成封孔质量效果检验，满足抽采困难情况下负压需要，实现回采顶板裂隙带高效抽采瓦斯。