定向鉆機在煤礦瓦斯治理中的應用

劉利平

(陽泉煤業集團有限責任公司 通風部，山西 陽泉 045000)

陽煤集團下屬煤礦分布在陽泉、太原、臨汾、晉中、忻州、朔州六個地區，陽泉礦區煤層地質構造復雜、透氣性差，屬于典型的低滲碎軟突出難抽煤層，是我國自然災害最嚴重的礦區之一。近年來，伴隨礦井開采深度的增加，治理瓦斯難度漸漸增大，抽、掘、采平衡銜接日益緊張，嚴重影響礦井的安全高效開采，成為制約企業安全發展的瓶頸，而定向鉆機鉆進簡單、操作方便、適用性強，在煤礦瓦斯治理中發揮著非常顯著的效果。

1 陽煤集團礦井概況

陽煤集團下屬礦井主要分布在沁水煤田，屬于近水平煤層，自上而下共含煤層15層(1號～15號)，現主采3號、15號煤層，局部可采6號、8號、9號、12號煤層。煤層瓦斯壓力為0.25～2.3 MPa，瓦斯含量14.75～26.73 m3/t，透氣性系數0.017～0.15 m2/(MPa2·d)，普氏系數f=0.1～0.8，礦井相對瓦斯涌出量16～46 m3/t，絕對瓦斯涌出量150～580 m3/min。

集團現有高瓦斯礦井9座、煤與瓦斯突出礦井10座，高瓦斯礦井瓦斯來源鄰近層約占85%以上，煤與瓦斯突出礦井瓦斯涌出量鄰近層、本煤層各占約50%。

2 定向鉆機主要技術原理及特點

定向鉆機成套裝備主要由定向鉆機、孔底螺桿馬達、高強度鉆桿、隨鉆軌跡測量系統等構成。隨鉆軌跡測量系統能夠實現鉆進過程中隨時測量鉆孔傾角、工具面向角、方位角等主要參數，實現鉆孔軌跡的隨鉆動態顯示，方便鉆孔施工人員隨時掌握鉆孔施工情況，并根據穿巖穿煤情況及時驅動孔底螺桿馬達調整工具面方向和鉆孔工藝參數，確保鉆孔盡可能地按照設計軌跡延伸，并根據煤層瓦斯賦存，對鉆孔進行多分支孔施工，具有鉆進成孔率高、鉆孔用途廣、樹狀集中抽采等特點。

3 定向鉆機在瓦斯治理中的應用

3.1 定向長鉆孔采空區瓦斯治理

3.1.1 定向鉆孔設計

坪上礦8216工作面走向長度980 m，傾向長度180 m,定向鉆孔布置位于煤層頂板16～45 m，控制工作面回風側傾向長1/3；鉆孔設計深度550 m，水平面上距回風巷13.5 m、27 m、40.5 m、54 m，垂直面上距煤層頂板16 m、28 m、38 m、45 m。

3.1.2 定向鉆孔抽采效果

如圖1所示，當8216工作面回采過程中，受工作面采動影響，距工作面切巷500 m處的2號鉆場回采至距鉆場320 m位置時鉆孔瓦斯濃度最大達到45%(圖1)，回采至距鉆場310 m位置時抽采純量最大達到12.25 m3/min，回采至距鉆場300 m位置抽采混合量最大達到45.2 m3/min，累計抽采瓦斯240萬m3。通過鉆場頂板高位定向長鉆孔抽采，回采工作面上隅角瓦斯濃度下降明顯，由抽采前最高值0.68%降低至0.2%～0.35%之間，生產期間瓦斯影響停機次數降低60%以上，有效保證了工作面高效回采進度。

圖1 2號鉆場瓦斯抽采效果

3.2 定向長鉆孔大區域超前瓦斯治理

3.2.1 定向鉆孔設計

在開元公司9713工作面進風巷及輔助進風巷鉆場中施工梳狀定向鉆孔(如圖2)，單孔設計深度600 m，每40～60 m開設一個分支孔進入目標煤層，然后沿煤層鉆進，鉆孔間距10 m,直接在煤層中布置，困難時把主孔布置于目標煤層底板5 m以下層位，相當于底抽巷的作用。

圖2 鉆場梳狀鉆孔平面布置

3.2.2 定向鉆孔施工

如圖3所示，通過在目標煤層底板5～7 m施工定向鉆孔主孔，主孔間距10 m，設計孔深600 m，到達煤層位置時每隔60～80 m在主孔內開一個分支孔進入煤層，從而達到對采區兩翼進行大面積區域瓦斯治理的目的。

圖3 定向鉆孔鉆孔剖面示意

3.2.3 定向鉆孔抽采效果

開元公司9713工作面進風巷及輔助進風巷設計長度均為1 800 m，凈寬5.2 m，鉆場布置在巷道開口位置的軌道運輸巷，設計11個鉆孔保護兩巷掘進，于2018年4月開始施工鉆孔、并網抽采，根據兩巷開展定向鉆孔區域瓦斯治理的抽采情況，匯總各鉆孔抽采數據，見表1。

表1 鉆孔抽采數據匯總

由表1數據可知，單個定向鉆孔平均抽采濃度均達到50%以上，平均抽采純量0.5～1 m3/min，采用底板梳狀定向鉆孔單孔抽采濃度高、抽釆純量較大、抽采衰減率低、抽釆效率高。通過對開元公司9采區煤層兩翼進行定向鉆進大區域超前瓦斯治理，預抽前該區域瓦斯含量平均9.3 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa,抽釆30 d后，煤層殘存瓦斯含量實測最大7.56 m3/t，瓦斯壓力0.59 MPa,實現了大面積整體區域消突，有效保證了井下安全生產。

3.3 定向長鉆孔煤巷條帶順層瓦斯治理

3.3.1 定向鉆孔設計

在新景公司3212工作面迎頭布置施工順層定向條帶鉆孔(見圖4)，鉆孔每循環控制條帶長度300 m以上，控制巷道兩幫輪廓線20 m范圍，布置間距按實測抽采半徑確定，一般為2.5～5 m,鉆孔施工完畢后封孔長度不少于15 m。

3.3.2 定向鉆孔抽采效果

在3212工作面施工7個定向條帶順層鉆孔，鉆孔最大深度384 m，單孔平均抽采瓦斯濃度均在50%以上，純量平均約0.3 m3/min,其中3號、4號鉆孔的抽采累積量和日抽采量曲線如圖5、圖6。

圖6 定向鉆孔瓦斯日抽采量變化曲線

圖5 定向鉆孔瓦斯抽采累積量變化曲線

圖4 定向順層條帶鉆孔平面

通過對新景公司3212工作面瓦斯預抽，減少了施工瓦斯治理工程巷道340 m，掘進期間沒有出現工作面瓦斯超限現象，節約了生產成本，提高了生產效率，保證了安全生產。

4 結 語

陽煤集團下屬礦井采用定向鉆機抽采瓦斯技術取得了顯著成效，全年減少瓦斯治理工程巷道約3 000 m，與普通鉆機施工的鉆孔相比瓦斯抽采純量提高了2～3倍，為煤礦安全生產創造了有利條件，極大地緩解了礦井抽、掘、采平衡銜接緊張現象。

但長距離定向鉆孔在遇地質構造帶時存在成孔、護孔難的問題，仍需要不斷積累總結瓦斯精準治理技術經驗，加強技術攻關，形成完整的瓦斯治理技術體系，為煤礦安全生產保駕護航。