软破碎岩层中高顶板钻孔不锈钢套筒式筛管保护技术及其瓦斯抽采效果研究

《Scientific Reports》：Development and performance evaluation of a novel borehole protection screen pipe for preventing borehole collapse in soft and fragmented rock strata

　　**摘要**高顶板钻孔是中国高瓦斯矿井瓦斯治理的核心技术之一。然而，在软破碎岩层中，采动应力扰动的影响往往导致压缩扭转变形、钻孔孔壁坍塌，或因岩性差异导致钻孔穿越煤岩界面时发生错断，从而造成瓦斯排放通道堵塞甚至钻孔失效。现有的钻孔保护技术普遍存在筛管笨重、施工效率低、难以大规模应用等问题。为解决上述问题，本研究以新安煤矿为工程背景，在系统分析钻孔保护必要性和保护管应力特征的基础上，研发了一种具有"上大下小"结构的不锈钢套筒式筛管，采用钻机推进系统驱动的分步插入法，实现了软岩地层中钻孔全长保护。同时，利用岩层钻孔检测仪分析钻孔孔壁稳定性，并在新安煤矿14230工作面开展了保护与未保护钻孔的对比试验。结果表明，岩层检测仪识别出煤岩界面是钻孔坍塌的高发区，而新型保护筛管能有效维持该区域钻孔孔壁完整性。保护钻孔的瓦斯排放浓度稳定保持在80%以上，纯抽采流量≥0.2 m3/min，总抽采瓦斯量是未保护钻孔的8～10倍（未保护钻孔抽采浓度为30%～45%，纯抽采流量为0.03～0.06 m3/min）。此外，基于流固耦合模型和煤矿现场数据，在当前地质条件下，高顶板钻孔的推荐间距为3.0～3.5 m，建议现场布置3～4个钻孔。所提出的新型筛管及相应施工工艺可有效减轻软破碎岩层地质条件下高顶板钻孔的坍塌和堵塞问题，在现场试验中显著提高了瓦斯抽采效率和钻孔利用率。