定向長鉆孔在瓦斯治理中的應用

周文宇

華晉焦煤沙曲二號煤礦 山西 呂梁 033300

引言

在科學技術迅猛發展的帶動下，使得大量的新型科學技術被研發出來，進而推動了各個行業的健康穩定的發展。這樣對于煤礦綜合機械化采煤工藝的發展也起到了積極的影響作用，在運用這項工藝的時候，往往會遇到瓦斯泄露的問題，進而嚴重的威脅到了煤礦資源開采工作安全性。因為瓦斯與空氣之間的質量是存在明顯的密度差，再加上采空區域存在漏風的情況，在采空區域頂層板材裂縫中極易存積大量的高濃度的瓦斯氣體，進而可以順著密封墻體或者是煤柱的縫隙涌入到采煤區域或者是礦井巷道之內，這樣就會影響到通風的效果，甚至會引發嚴重的危險的事故。經過對大量的信息數據進行分析我們發現，工作面回風流瓦斯有超過一半的成分是來源于采空區域，采空區域瓦斯泄露極易導致空間內瓦斯密度的增加，進而會增加空間內的危險系數，進而，結合實際情況采用適當的方法對空間內的隅角瓦斯加以切實的管控，能夠有效地保證礦井開采工作的有序的進行。就現如今的技術情況來看，煤礦開采空間內的隅角瓦斯的預防和治理方法有多重要，諸如：高抽巷法、地面鉆孔法、埋管法、普通高位鉆孔法、高位定向長鉆孔法等，這些方法在實際工作中加以運用之后都能夠獲得較好的成效，但是高抽巷法，相對來說花費較多，后期維保工作也會需要大量的資金，并且在實施管理工作的時候存在諸多的困難。埋管法存在抽樣采集效率低下的情況。地面鉆孔方法適合運用在煤礦挖掘深度較淺的高瓦斯煤層結構之中，并且整個工序的花費較多。普通高溫款空方法盡管具有良好的實用性，并且在實際使用中操作較為簡便，但是與高位定向長鉆孔方法相比較來說，鉆孔效果不能加以控制，極易產生失誤，這樣對于瓦斯的抽樣采集形成一定的影響。并且鉆孔的深度較差，并且涉及到的工作程序較為繁瑣。高溫定向長鉆孔方法其實質就是借助隨鉆測量定向鉆進技術在資源挖掘空間內搭建一個采動裂縫瓦斯抽樣采集渠道，在回采工作面的不斷延伸過程中，借助采動壓力來構建縱向破裂裂縫以及水平方向的離層裂縫采樣采空區域。其最為突出的特征主要有：首先鉆孔進行軌跡具有一定的可控性，在有效抽樣采集區域內鉆孔效率較高。其次，覆蓋面積較大，能夠大范圍的瓦斯抽樣工作創造良好的基礎。最后是鉆孔可以選擇在回風巷或者是工作空間內的順槽之中，不需要安設高位鉆長?，F如今，高位定向長鉆孔可以說是煤炭資源挖掘空間內隅角瓦斯治理的關鍵方法，在國內的諸多大型煤炭企業中被大范圍的加以運用，并且取得了良好的成效。

1 高位定向長鉆孔施工技術

1.1 層位布置

高位定向長鉆孔層位位置的選擇與工作空間內隅角瓦斯的抽樣采集存在一定的關聯，通常情況下是借助上隅角周邊的裂縫情況來加以判斷。利用專業的理論知識我們可以總結出，裂縫之中可能會存在較多的高濃度的瓦斯氣體，并且裂縫形成較為充實，進而是實施瓦斯抽樣采集的最佳位置，換句話說，高溫定向長鉆孔層位的控制需要保持在采動裂縫的既定范圍之內。當下，針對擦空區域頂層板垂直方向三帶的發育程度的判斷方式還沒有較為高效的判斷方法，通常是借助裂縫帶高度的專業計算公式來加以判斷。

1.2 成孔方法

經過理論分析以及大量的試驗結果我們發現：鉆孔直徑與瓦斯的抽樣采集的結果存在密切的關聯，鉆孔直徑越大，那些瓦斯的抽樣采集的效果就會表現的越好。就當前擁有的定向鉆進機械來說，為了得到需要的大直徑的高位定向長鉆孔，通常人們會利用導向孔輔助分級擴孔的施工方法。首先借助隨機測量定向鉆進的模式來確定運行可控的導向孔，隨后借助專業的擴孔鉆頭來對孔洞的直徑加以擴大。

(1)導向孔鉆進?，F如今在那些規模較大的煤礦企業煤炭挖掘工作中大范圍的運用了隨鉆測量定向鉆進技術，運用這項技術能夠較好的對鉆孔的軌跡加以控制。在高位定向長鉆孔導向孔的設置工作中，引用隨鉆測量定向鉆進技術有效的確保了鉆孔軌跡在采動裂縫中的擴張，進而能夠保證鉆孔在工作空間內回采環節中與采動裂縫進行連接，最終實現對隅角瓦斯采動收集的目的。

(2)擴孔鉆進。在針對孔洞實施直徑擴展的時候，可以選擇回轉擴工施工技術，借助具備良好引導作用的擴孔鉆頭，利用專業的方法將孔洞的直徑擴展到需要的標準水平。

2 高位定向長鉆孔施工裝備

2.1 定向鉆機

定向鉆機完成高位定向長鉆孔孔洞設置的基本機械，結合孔洞的特征以及分布的特點，可以劃分為不同的結構形式，在選擇使用的時候需要充分的結合實際情況以及鉆進的需求。

2.2 定向鉆具

孔底馬達是整個定向鉆進系統中最為關鍵的結構，其實鉆進系統中能源的主要來源。

2.3 隨鉆測量儀器

就現如今國內的煤炭井下挖掘現狀來說，井下隨鉆測量系統都是借助有線傳輸的形式，傳輸的距離通常都是超過一千米以上。鉆孔軌跡標準可以利用探管來加以判斷，并且需要結束通線鉆桿來將測量獲得的信息和數據進行傳輸，這樣能夠達到雙向信息傳遞的目的。結合電能供應形式的不同，隨鉆測量系統探管結構可以劃分為良好總形式，即孔底供電測量探管和孔口供電測量探管。隨鉆測量系統配合孔底馬達能夠達到實時鉆孔軌跡測量和控制的目的。

3 應用實例

3.1 在沙曲煤礦24208工作面的應用

(1)工作面概況。沙曲煤礦24208工作面開采3+4#煤層，煤層厚度3.5～4m。24208工作面頂板巖層總體情況較好，局部可見炭質泥巖偽頂和破碎直接頂，基本頂巖性較好，未受到周邊工作面擾動影響，巖層較完整。

(2)鉆孔施工情況。24208工作面的頂板走向鉆孔分為兩部分布置，一部分用定向鉆機在22201配巷施工高位定向鉆孔；另一部分用國產鉆機在24208回風巷施工高位非定向鉆孔。為了充分對比高位非定向鉆孔與高位定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，將高位定向鉆孔主抽采孔段布置于平面上沿工作面走向工作面以內距回風巷內幫25～65m處，剖面上距煤層頂板6～8倍采高。

(3)瓦斯抽采效果分析。煤礦瓦斯災害治理是一個綜合的過程，往往需要多種抽采方法的配合才能保證煤礦的安全回采?；谕咚箲楸M抽的理念，結合該工程工作面實際情況，前期預抽煤層瓦斯消除突出危險性，后期綜合治理相結合的采煤工作面“全方位立體式”瓦斯綜合治理措施，采用“地面與井下抽采相結合，穿層和順層抽采相結合、保護層開采與卸壓抽采相結合”的瓦斯綜合抽采模式。即采用不同形式對回采工作面原始瓦斯預抽以及回采期間的瓦斯抽采，包括穿層鉆孔、順層鉆孔、高位鉆孔、攔截鉆孔、地面井和上隅角埋管抽采等。為綜合分析對比高位定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面推進過程中，采集了高位定向長鉆孔與高位抽放巷瓦斯抽采數據。高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度隨工作面推進逐漸增加，最高值達到80%，平均值53.6%。工作面回采初期，高位非定向鉆孔起主要作用，鉆孔平均總純瓦斯流量為1.35m3/min，平均濃度為40%；回采中期高位定向鉆孔和高位非定向鉆孔共同起作用，定向鉆孔平均總純瓦斯流量為6m3/min,平均濃度為60%，非定向鉆孔平均總純瓦斯流量為4m3/min,平均濃度30%；回采后期，高位定向鉆孔起主要作用，平均瓦斯抽采純量10m3/min ,平均濃度80%，且持續到工作面回采結束后一個星期。

通過對上述瓦斯抽采數據的綜合分析，認為工作面采動裂隙瓦斯抽采具有一定效果，其表現為隨著工作面的不斷推進，高位定向長鉆孔瓦斯抽采能夠抽出高濃度大流量的瓦斯，且高位定向長鉆孔介入抽采期間高位定向鉆孔的瓦斯抽采純量較非定向長鉆孔抽采效果明顯，回采中期兩種抽采方式抽采濃度相差30%。由此可見，高位定向長鉆孔與高位非定向鉆孔抽采了同一瓦斯源，高位定向長鉆孔抽采頂板采空區瓦斯，降低了高位非定向鉆孔瓦斯抽采流量，這種影響是有益的，為高位定向長鉆孔層位選擇提供了參考依據。

3.2 在吉寧礦2102工作面的應用

(1)工作面概況。吉寧礦2102工作面主采2號煤層，該煤層位于山西組下部，頂板上部巖石成分基本為泥巖、粉砂巖、中粒砂巖等，煤層厚度在5.9～6.2m，平均厚6.05m。黑色，條帶狀結構，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主。含夾矸一般為2層，煤層結構簡單，變異指數為0.09，屬于穩定可采煤層。

(2)鉆孔施工情況。根據覆巖采動裂隙分布特征與吉寧礦工作面通風特點，結合吉寧礦實際情況，在2102膠帶巷鉆場布置4個定向鉆孔，最深鉆孔達到702m，鉆孔孔徑均為203mm，終孔位置平面位于2102切眼往外36m處，剖面位置距離開孔高度為48m布置在泥巖中，各孔水平間距15m。

(3)瓦斯抽采效果分析。為綜合考察工作面上隅角瓦斯抽采治理效果，統計分析了鉆場內4個鉆孔的瓦斯抽采數據，高位鉆孔瓦斯抽采流量隨抽采時間變化。經觀測該鉆場平均單孔瓦斯抽采流量達到9.89m3/min，單孔最大抽采流量在30m3/min以上，抽采效果較好。同時，在高位定向長鉆孔介入前(30m以內)回風巷各采集點的瓦斯濃度較高;介入后(30～100m)，瓦斯濃度明顯下降。其中，2102回風巷風流和巷口的瓦斯濃度下降比例最大，由0.65%降為0.40%，抽采效果顯著。由此可見，應用高位定向長鉆孔有效降低了工作面上隅角瓦斯濃度，為安全生產提供了保障。

4 工作面瓦斯綜合治理措施

煤礦瓦斯災害治理工序并不是一定簡單的工作，通常是需要借助多個抽樣采集的方式加以輔助才可以確保煤炭資源挖掘工作的安全性。在充分的聯系瓦斯應抽盡抽原則，并結合4901工作空間的現實狀況，初期預抽煤層瓦斯消除具有較高的危險系數，后期在實施整體治理的時候可以選擇統合采煤空間立體形式的瓦斯整體治理的形式，將地面與井下抽樣采集進行融合，更好的提升工作的效率和質量，換句話說就是利用各類不同形式來對回采工作空間內的存在的瓦斯實施抽采。

4.1 傳統瓦斯治理措施

突出煤層4#煤工作面高位鉆孔均在進風巷施工。在工作面進風巷自切眼向外每隔80m施工一個高位鉆場，在鉆場內施工高位、攔截鉆孔。高位鉆孔壓茬30m。當工作面回采至高位鉆場10-15米時，必須將該處抽采鉆孔管路拆除，對鉆孔進行封孔注漿，同時打開下一個高位鉆場的鉆孔抽采工作面瓦斯。該方式存在以下幾個問題：（1）在針對鉆孔以及進風通道結構實施建造可以選擇平行施工的方法，但是安全管理工作的開展存在一定的困難。（2）鉆孔利用效率較差，工作空間回采延續到鉆場之前的十到十五米，鉆孔務必要將封孔結構實施拆卸。（3）工作空間通過兩組鉆孔搭茬結構的時候，抽采質量較差，極易引發工作面瓦斯超出極限的情況（4）工作面高位鉆孔要求封孔至冒落帶以上，實際封孔效果不理想，鉆孔進入采空區后形成瓦斯通道，易將中組煤卸壓瓦斯導入工作面，給工作面瓦斯管理帶來難度。

4.2 創新瓦斯治理措施

為避免工作面回采過程中出現上述4種問題，在工作面收作線外施工定向長鉆孔替代在進風巷施工高位鉆孔治理工作面瓦斯，避免了工作面過高位鉆場時的瓦斯隱患，提高了鉆孔利用率。在4901工作面停產線外的4#煤層鉆場，采用千米定向鉆機施工4個定向長鉆孔作為高位鉆孔，鉆孔終孔位于4#煤采高8-10倍，抽采工作面裂隙帶瓦斯，單孔深度700m，總工程量2800m。

5 結論

高位定向長鉆孔鉆場直接設在回風巷，具有鉆孔層位布置靈活、目標層位鉆遇率高、覆蓋范圍廣等諸多優勢，隨著煤礦井下定向鉆探技術裝備的發展，煤層頂、底板巖石鉆孔深度可達上千米，鉆孔直徑可達203mm，完全滿足了高位定向長鉆孔施工需求。多年的高位定向長鉆孔推廣應用實踐表明，因各礦區巖層巖性特點、裂隙發育程度以及瓦斯賦存特性的差異性，鉆孔層位、鉆孔數量對鉆孔成孔率、上隅角瓦斯治理效果均有顯著影響。因此，煤礦企業首先需通過試驗鉆孔摸清該采區頂板地層特征后，優化布孔設計，以使高位定向長鉆孔在工作面上隅角瓦斯以及采空區瓦斯治理中達到理想抽采效果。同時，建議將多分支高位定向長鉆孔技術研究應用于工作面上隅角瓦斯治理，縮短鉆孔施工周期，降低鉆孔施工成本，提高瓦斯綜合治理效果。