盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究
孔普遍采用钻场施工，由于每个钻场打有六个钻孔，因此在封孔之后采取两个钻孔并联再组成一个抽采支路后和总管相连。该管的特点是：联管采用快速接头，主要部件为PVC双抗塑料管，每两个钻孔有一个调节阀门和测气孔，支管路也有控制阀门，一旦这两个钻孔或支管路出现漏气或浓度降低，就能及时关闭不至于影响整个系统的瓦斯浓度。但是管路的调节阀为钢铁件，容易锈蚀无法调节或造成管路漏气。 1.4 研究思路
针对瓦斯治理中存在抽采孔留不住、封不严和联不通的问题，本项目拟开展盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究，研究内容包括以下三个方面：
1）瓦斯抽采孔钻护一体化技术
研究钻孔失稳垮塌机理，以此为基础，研究防治瓦斯抽采孔塌孔的新方法和装备，形成钻护一体化。
2）二次封孔技术
研究松软低透煤层瓦斯抽采钻孔周围煤岩体裂隙场发育规律，完善相关工艺参数，研发适用于盘江矿区的二次封孔新技术装备。
3）瓦斯抽采管网优化
以实测数据为基础，分析确定制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要因素，通过优化瓦斯抽采系统各主要环节，实现“抽采泵—管网—钻孔”之间的合理匹配。
研究思路如图1.1所示。
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盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究瓦斯抽采钻护一体化二次封孔技术抽采管网优化护得住封得严联得通丰富理论体系，优化技术参数及完善配套装备形成松软突出煤层护-封-联新技术体系及规范，并工程示范、推广
图1.1 研究思路图
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2 项目研究内容与技术方案
2.1 研究内容之一：瓦斯抽采孔钻护一体化技术
目前，我国松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔方面主要存在以下难题：第一，抽采钻孔钻进不到位。主要表现为：在钻孔施工期间，由于松软煤层煤体结构软，或者硬煤穿过软岩层、煤线、泥岩及断层带时，打钻经常发生顶钻、卡钻、吸钻、喷孔、塌孔现象，很难深孔钻进，许多矿井在松软煤层中的打钻成功率受到了很大的限制，很难完成施工设计要求，影响煤层瓦斯抽采效果；第二，煤层瓦斯抽采孔成孔后留不住。主要表现为：钻孔成钻后，周围原岩应力不再平衡，加上煤体结构的松软性，在垂直地应力作用下，煤体蠕变并逐渐失稳和垮塌，造成抽采孔堵塞，瓦斯抽不出。在矿井生产中，瓦斯抽采孔的人力、资源、经济和施工周期投入都很大，一旦塌孔，瓦斯抽采治理效果和投入将不相匹配，还会造成回采期间瓦斯涌出量增大，严重影响了安全生产。因此，瓦斯塌孔防治是一项经济和效率的双重任务。
2.1.1 瓦斯抽采孔塌孔失稳机理研究
钻孔失稳是指由于钻孔的形成使钻孔周围软弱煤岩体卸载，孔外围煤体应力重新分布，导致孔周围产生破裂，弱结构体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动以及剪切张裂等变形，或者随着时间的迁移，松软煤层的强流变性也会导致钻孔壁向开挖空间挤压而逐渐闭合。钻孔失稳与含瓦斯煤岩体的力学特性、地应力分布以及成孔工艺有着密切的关系。主要包含：
1）煤与瓦斯突出煤层的物理力学特性的影响。煤层的岩性是影响煤层稳定性的最本质因素，由于煤层自身的组成成分和煤层内部结构构造的不同，使得煤层的物理力学特性有很大的差异。突出煤层内聚力小、破碎松散，强度低以及易于软化等性质，对钻孔稳定性非常不利。
2）复杂应力场的影响。处于复杂的应力场中的煤层，主要有垂直重力应力、煤层采动压力、地壳构造应力等等相互作用，相互影响。突出煤层自身的承载能力差，随着压力的增大，钻孔从最薄弱的地方开始破坏，而且应力场的突然改变，导致钻孔迅速破坏，破坏区域及程度难以预测和防治。
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3）瓦斯的影响。瓦斯既可以改变煤层的应力状态，又可以影响煤层的强度大小。当地应力处于平衡状态时，瓦斯大量吸附在煤层的表面处于流动平衡；当钻孔钻进，使得应力平衡被打破，煤层压力释放，煤层瓦斯就会从煤层表面解吸迅速释放，而瓦斯自身特性的膨胀能，会导致煤层的变形，当压力达到一定的大小时，就会造成钻孔喷孔，甚至煤与瓦斯突出。
4）时间因素的影响。流变是突出煤层的特性之一，钻孔的变形与时间密切相关。受加载方式和加载水平的影响，低渗软煤的流变特性呈现出了多样性、多变性和不稳定性的复杂特点。
虽然近年来关于高应力低透松软煤层的研究取得了一些成果，但是由于在瓦斯抽采过程中，瓦斯的运移及分布规律会影响煤岩体骨架的变形与破坏，而骨架的变形又反过来影响瓦斯运移的状态，二者相互作用、相互影响，特别是复杂环境下，高应力采掘卸载导致地应力重分布，时空关系复杂多变，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，且大范围开采对煤岩体形成反复扰动，使煤岩体经历多次变形、破坏过程，及瓦斯压力、温度的改变及其耦合效应导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点，研究低透软弱煤岩体的破坏与变形机制是实现煤与瓦斯安全共采的理论科学基础，对指导工程实践活动有着十分重要的意义。 2.1.1.1研究内容
1）系统研究有关矿井地质条件的资料，分析盘江矿区存在的高瓦斯低透松软煤层赋存及分布情况，研究并总结低透松软煤层瓦斯抽采孔垮塌的导致因素；
2）开展不同加卸载路径下煤体的基本力学试验，研究钻孔在软煤、极软煤以及硬煤中的垮塌机制，探究煤的属性与钻孔稳定性之间的力学原理，优化不同属性煤层中钻进系统，形成技术实施规范；
3）分析煤层地应力分布特征，研究煤体在垂直地应力和水平地应力共同作用下的变形破坏机理，分析不同地应力分布导致瓦斯抽采孔垮塌的力学机制；
4）探究导致深孔钻进过程中钻孔偏斜的影响因素，分析钻进过程中装置的受力特征，计算钻杆的运动轨迹；研究开发定向钻进设备与技术，提出可行的实施工艺；
5）研究跟管钻进协同护孔技术的力学机制，分析钻进过程中套管、钻杆以
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及煤层之间的相互作用机理；设计并开发根管钻进设备，进一步完善钻孔工艺和护孔措施。
研究路线图见图2.1。
钻孔力学问题 力学模型 力学试验 数学模型 相似模型试验 计算结果 图2.1 研究路线图 2.1.1.2 研究方案
煤系地层的破坏、变形规律与煤的力学性质密切相关，且严重影响着煤体内钻孔的稳定性，研究含瓦斯煤体的力学特性对于松软煤层钻孔的维护，防止钻孔塌孔有着十分重要的意义。
含瓦斯煤体的力学性质包括含瓦斯煤体的变形特性和强度特征，由于在采矿 工程和地下工程中，煤岩体材料一般都处于受压的三维应力状态。高应力采掘卸载导致地应力重分布，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，钻孔周围应力分布如图2.2所示，加载破坏原理如图2.3所示。
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