定向長鉆孔防治技術在煤層強突出危險區的應用

劉昆，馮步云

定向長鉆孔防治技術在煤層強突出危險區的應用

劉昆，馮步云

（淮南礦業集團平安工程院公司，安徽 淮南 232001）

隨著雙柳礦采掘活動向深部強突出危險區延伸，瓦斯地質問題已成為制約礦井安全高效生產的主要因素，而傳統的底抽巷穿層短鉆孔效果差，消突效果難以保證。而采用底抽巷穿巖順層定向長鉆孔消突技術，大大提高了鉆孔利用率，減少了鉆孔工程量，煤層消突區域的殘余瓦斯含量、可解析瓦斯瓦斯量、殘余瓦斯壓力、K1值、鉆屑量、工作面瓦斯濃度、工作面回風瓦斯濃度等各項防突參數指標均達到相關要求，實現了煤層強突出危險區的采掘工作面在低瓦斯狀態下的安全、高效生產。

穿巖；定向鉆孔；消突效果；瓦斯

隨著我國煤炭開采深度的逐漸增加，面臨的瓦斯地質問題也愈發突出，如煤層破壞程度高、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、瓦斯涌出量大等一系列問題。深部煤層開采前的瓦斯防治也成為礦井地質工作的重點內容之一[1]。傳統底抽巷穿層短鉆孔一般垂直煤層施工，鉆孔巖段遠遠大于煤段，抽采鉆孔利用率低、軌跡控制難、工程量較大、消突效果難以保證，而定向長鉆孔防治技術可以很好地解決該類問題[2-9]。

山西省河東煤田中部雙柳煤礦屬突出礦井，目前開采3+4號煤層最大瓦斯壓力為2.4 MPa，破壞類型正常區域為Ⅱ～Ⅲ類，地質破壞區域為Ⅳ～Ⅴ類，堅固性系數范圍為0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大為12.9 mmHg。礦井急需開展使用強突煤層定向長鉆孔消突技術替代傳統穿層短鉆孔消突技術的應用和研究工作。

1 研究背景

1.1 巷道布置情況

本次研究區內布置有三條巷道，分別是北翼瓦斯治理巷、區域瓦斯治理底抽巷、南翼瓦斯治理巷。區域瓦斯治理底抽巷布置在3+4號煤層下方10～15 m的巖層中，其他兩條巷道均布置在3+4煤層中。區域瓦斯治理底抽巷與南、北翼瓦斯治理巷的投影平面距離均為35 m，具體如圖1所示。

圖1 巷道布置示意圖

1.2 瓦斯地質情況

3+4號煤層位于山西組下部，井田中、東部大部分地段與其上的3號煤合并，煤層厚2.00～4.11 m，平均厚度為3.54 m，屬厚煤層，全井田穩定可采。該煤層為突出煤層，其煤塵爆炸指數為30.8%～40.9%，煤塵具有爆炸性，自然傾向性為Ⅲ級，不易自燃，破壞類型正常區域為Ⅱ～Ⅲ類，地質破壞區域為Ⅳ～Ⅴ類，堅固性系數范圍為0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大為12.9 mmHg。在本區域內，預測3+4號煤層原始瓦斯含量為12.8 m3/t，原始瓦斯壓力為2.08 MPa。

2 定向長鉆孔消突技術

在區域瓦斯治理底抽巷內對千米鉆機鉆場進行施工，對上覆煤層中的南、北瓦斯治理巷的穿巖順煤層定向長鉆孔進行施工，即鉆機先從巖巷開鉆，穿過8～10 m的煤層底板巖石后進入煤層，并沿著煤層繼續鉆進，直至達到設計長度。然后進行條帶預抽消突，每個鉆場內鉆孔設計長度均為450 m，終孔間距為7 m，每個鉆場設計鉆孔7～8個，鉆場與鉆場之間壓茬為100 m。每一評價單元鉆孔施工結束后預抽時間不低于6個月。

按照《防治煤與瓦斯突出規定》第四十九條規定，對于鉆孔控制回采巷道外側的范圍為：傾斜、急傾斜煤層巷道上幫輪廓線外至少20 m，下幫至少10 m；其他為巷道兩側輪廓線外至少各15 m。因焦煤集團規定外擴不小于20 m，因此在區域瓦斯治理底抽巷施工的穿煤層定向長鉆孔預抽煤巷條帶，控制南翼瓦斯治理巷欲掘位置及其兩側20 m范圍的煤體。具體鉆孔設計參數及布置如圖2所示。

圖2 區域瓦斯治理底抽巷區域預抽南、北翼瓦斯治理巷鉆孔布置圖

與傳統穿層短鉆孔的方案相比較，以450 m的煤巷條帶消突單元為例，穿巖順層定向長鉆孔需布置一組7個鉆孔，工程量為3 150 m，傳統穿層短鉆孔每隔5 m施工一組鉆孔，需要施工90組鉆孔，每組9個鉆孔，每組鉆孔工程量約

418 m，總鉆孔工程量為37 620 m。上述數據對比表明：采用穿巖順層定向長鉆孔消突技術提高了鉆孔利用率，大幅減少了鉆孔工程量，降低了礦井瓦斯治理成本。

本文采用的鉆機為ZDY-6000LD（奧鉆）履帶式鉆機。在施工過程中，第一次開鉆采用Φ96 mmPCD鉆頭鉆至10 m，退鉆換Φ180 mmPDC擴孔鉆頭擴至10 m退鉆，下入10 m長4寸（1寸≈3.33 cm）封孔鐵管固管后，采用膨脹水泥進行孔內高壓注漿，封堵管外與孔壁之間的間隙。第二次開鉆采用Φ96 mmPCD鉆頭+下無磁鉆桿+孔底馬達+測量短節+上無磁鉆桿+Φ73 mm通訊鉆桿鉆具組合，開始正常定向鉆進。正常定向鉆進時，每施工6 m測定一次孔底的參數，根據測定的參數和已掌握的現場實際地質情況，調整鉆進方向，力求鉆孔按照設計軌跡和要求鉆進。測定數據可根據鉆孔施工探頂板實際情況調整測量距離。

3 區域消突效果考察

3.1 抽采評價單元的評判參數指標

通過抽采達標劃定的評判區域，經計算，北翼瓦斯治理巷底板穿層定向長鉆孔預抽掩護區域各項指標符合抽采達標評判要求，具體情況如下：①預抽時間13個月，符合要求；②殘余瓦斯含量最大為4.71 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量為3.31 m3/t，符合要求；③通過計算殘余瓦斯壓力均小于0.74 MPa，符合要求。

通過抽采達標劃定的評判區域，經計算，南翼瓦斯治理巷底板穿層定向長鉆孔預抽掩護區域各項指標符合抽采達標評判要求，具體情況如下：①預抽時間10個月，符合要求；②殘余瓦斯含量最大為4.6 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量為3.42 m3/t，符合要求；③通過計算殘余瓦斯壓力均小于0.74 MPa，符合要求。

3.2 防突有關規定的其他參數指標

為了進一步驗證消突效果，對掘進期間南、北翼瓦斯治理巷進行了跟蹤考察，結果表明，南、北瓦斯治理巷相應的K1值、鉆屑量、工作面瓦斯濃度、回風瓦斯濃度等參數指標均符合防突有關規定要求。

4 結論

底抽巷穿巖順煤層定向長鉆孔消突技術為解決無卸壓松軟低透煤層瓦斯治理難題提供了新的方法。經過不少于6個月的抽采，煤層消突區域的各項防突參數指標均符合相關要求，實現了煤層強突出危險區的采掘工作面在低瓦斯狀態下的安全生產。底抽巷穿巖順煤層定向長鉆孔的軌跡可控，鉆孔利用率得到提高，鉆孔工程量大幅減少，經濟效益和社會效益可觀，實現了礦井的高效生產。

［1］袁亮.我國深部煤與瓦斯共采戰略思考［J］.煤炭學報，2016，41（1）：1-6．

［2］袁亮，劉澤功.淮南礦區開采煤層頂板抽放瓦斯技術研究［J］.煤炭學報，2003，28（2）：149-152．

［3］謝和平，周宏偉，薛東杰，等.我國煤與瓦斯共采理論、技術與工程［J］.煤炭學報，2014（8）：1391-1397．

［4］龍威成，趙樂凱，陳冬冬，等.順煤層定向長鉆孔水力壓裂煤層增透技術及試驗研究［J］.河南理工大學學報（自然科學版），2019，38（3）：10-15．

［5］侯國培，郭昆明，岳茂莊，等.高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術應用［J］.煤炭工程，2019，51（1）：64-67.

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［7］石浩.大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術及應用［J］.煤炭科學技術，2018，46（10）：190-195.

［8］石智軍，趙江鵬，陸鴻濤，等．煤礦區大直徑垂直定向孔快速鉆進關鍵技術與裝備［J］.煤炭科學技術，2016，44（9）：13-18．

［9］閆保永.高位定向長鉆孔鉆進工藝研究［J］.煤炭科學技術，2016，44（4）：55-58．

TD163

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.065

2095－6835（2019）13－0148－02

劉昆（1987—），男，本科學歷，工程師，主要從事煤礦瓦斯地質方面的工作。

〔編輯：王霞〕