定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施應(yīng)用效果分析

陳立新

華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號(hào)煤礦 山西呂梁 033000

沙曲二號(hào)煤礦為煤與瓦斯突出礦井，各煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，屬于近距離突出煤層群聯(lián)合開采。井田范圍內(nèi)3#、4#煤層間距平均為7．2m，4#、5#煤層間距平均為5．5m，3#煤層平均厚度為1．0m，4#煤層平均厚度約為2．25m，5#煤層平均厚度約為1．93m。礦井采用斜井開拓，以兩個(gè)水平開拓全井田，目前生產(chǎn)水平為一水平（+400m 水平），主采3#、4#、5#煤層。

1 4901 回風(fēng)巷工作面概況

1.1 工作面布置

4901 回風(fēng)巷布置于4#煤層中，工作面東南面為三條集中巷道，東北面為4901 工作面，西北面為三川河、高速公路及村莊保護(hù)煤柱，西南面為未開掘區(qū)，地面標(biāo)高為490m-630m，工作面標(biāo)高為298m—356m，地表由黃土梁峁，黃土低山丘陵地貌，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1441m，巷道施工采用機(jī)掘方式。該巷道為矩形斷面，凈寬4．4m，凈高2．6m，巷道采取錨網(wǎng)支護(hù)，頂錨間排距800×900mm，錨索間排距1300×1800mm。

1.2 工作面瓦斯地質(zhì)及煤層賦存情況

4901 回風(fēng)巷工作面整體為單斜構(gòu)造，煤層傾向南西，傾角4°。4#煤層瓦斯含量為11．01m3/t，瓦斯壓力為1．57MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0．73，煤層平均厚度為2．0m。4#煤層具有爆炸性，為Ⅲ類不易自燃煤層。

1.3 工作面局部通風(fēng)

4901 回風(fēng)巷工作面采用機(jī)械壓入式通風(fēng)，配備一組FBD №7．1/2×45 對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)和直徑為1000mm 風(fēng)筒，配風(fēng)量為525m3/min。工作面瓦斯?jié)舛葹?．22%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?．4%。

1.4 抽采系統(tǒng)

4901 回風(fēng)巷工作面采幫布置有一趟DN320mm 瓦斯抽采管路，經(jīng)集中回風(fēng)下山DN450mm 抽采管路引入礦井DN820mm 高濃抽采系統(tǒng)。工作面預(yù)抽過(guò)程中的抽采負(fù)壓可達(dá)20kPa 以上。

2 定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施在4901 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的應(yīng)用

2.1 4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

為了解決4901 回風(fēng)巷工作面掘進(jìn)期間的消突問(wèn)題，提高抽采效果，保證抽掘銜接，沙曲二號(hào)煤礦通過(guò)調(diào)研論證，在4901 回風(fēng)巷選用定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域防突措施。4901回風(fēng)巷在工作面正前及左、右鉆場(chǎng)共布置5 個(gè)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔，采用ZYL-17000D 型鉆機(jī)施工，配套Ф89×3000mm 螺旋槽鉆桿、Ф120mm 鉆頭施工，設(shè)計(jì)孔深600m，孔徑為120mm。鉆孔終孔端輻射至巷道兩幫輪廓線外左、右各20m 位置（幫距），鉆孔終孔間距為12 米，4#煤層抽采半徑為6 米，區(qū)域防突措施鉆孔超前距保留20 米。擴(kuò)孔、封孔長(zhǎng)度為12m，封孔采用5 寸PVC 管，水泥注漿封孔。鉆孔與集中式放水器之間使用4 寸埋線管進(jìn)行連接，集中放水器與瓦斯管路之間使用219mm 埋線管進(jìn)行連接[1]。

2.2 4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)際施工情況

根據(jù)華晉焦煤函[2018]161 號(hào)要求，沙曲二號(hào)煤礦4901 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面試用大功率定向鉆機(jī)施工區(qū)域防突鉆孔。鉆孔工程量為，孔數(shù)5 個(gè)，孔徑120mm，總有效進(jìn)尺3000m，單孔不少于600m，工程施工期限45-60 天。

4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)際完成孔數(shù)5 個(gè)（受鉆場(chǎng)條件限制，1 號(hào)孔以分支形式在2 號(hào)孔內(nèi)施工完成），孔徑120mm ，總進(jìn)尺5193m（巖孔2694m，煤孔2499m），單孔最深624m，最淺501m，實(shí)際施工時(shí)間為59 天（開工日期2018 年9 月12 日，完工日期2018 年11 月10 日）。

2.3 4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔施工過(guò)程中存在的問(wèn)題

（1）4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔在施工過(guò)程中，1#鉆孔因受鉆場(chǎng)條件限制未能正常開孔施工，僅以分支形式在2 號(hào)鉆孔內(nèi)施工完成。

（2）4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔在施工過(guò)程中，3#鉆孔因?yàn)槭鞘┕さ牡谝粋€(gè)鉆孔，為探明巷道前方的煤層賦存情況，鉆孔多次開分支尋找、探測(cè)煤層，導(dǎo)致鉆孔施工時(shí)間較長(zhǎng)。在探清煤層賦存情況后，其余鉆孔的施工時(shí)間均控制在10 天左右。

（3）從4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔施工情況看，除5#鉆孔有效進(jìn)尺較高外，其他幾個(gè)鉆孔的有效進(jìn)尺均不足50%，最低有效進(jìn)尺僅占累計(jì)進(jìn)尺的43%。

（4）4901 回風(fēng)巷長(zhǎng)鉆孔在施工過(guò)程中，由于鉆孔深、孔徑大，經(jīng)常發(fā)生噴孔現(xiàn)象，雖然采用了瓦斯防噴裝置，但還是多次出現(xiàn)瓦斯預(yù)警事故。

2.4 4901 回風(fēng)巷定向長(zhǎng)鉆孔施工過(guò)程中的瓦斯防治技術(shù)

（1）施鉆過(guò)程中，在孔口加設(shè)了以防噴囊袋為主的防噴裝置。當(dāng)鉆孔發(fā)生噴孔時(shí)，噴出的大量高濃度瓦斯首先進(jìn)入防噴囊袋，防噴囊袋擴(kuò)張釋放噴出的瓦斯壓力，給汽水渣分離器分離噴出的煤渣和積水留足時(shí)間，確保發(fā)生瓦斯噴孔時(shí)高濃度瓦斯全部收集在防噴裝置中[2]。

（2）施鉆過(guò)程中，在鉆桿水尾接頭上增加了三通及截止閥，并連接至汽水渣分離器。當(dāng)鉆孔發(fā)生噴孔時(shí)，通過(guò)打開鉆桿水尾接頭上的三通，實(shí)現(xiàn)鉆桿對(duì)鉆孔的抽采，防止鉆孔內(nèi)的瓦斯從鉆桿水尾處噴出。

（3）施鉆過(guò)程中，在原先孔口防噴裝置、汽水渣分離器、防噴囊袋三級(jí)瓦斯防噴工藝的基礎(chǔ)上，增加了雙層氣動(dòng)式放水器，實(shí)現(xiàn)四級(jí)瓦斯防噴，不但能有效緩沖瓦斯噴出壓力，而且能實(shí)現(xiàn)在不中斷抽采負(fù)壓的情況下一鍵式氣動(dòng)快速放水，杜絕了瓦斯超限，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）施鉆過(guò)程中，推行“兩堵一注、排水排渣”囊袋式封孔工藝，提高鉆孔封孔質(zhì)量，提高瓦斯抽采效果。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)與采用傳統(tǒng)回旋鉆機(jī)施工掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔抽采效果的對(duì)比，定向長(zhǎng)距離鉆孔應(yīng)用于掘進(jìn)工作面掘進(jìn)預(yù)抽在施工成本、抽采效果、提高掘進(jìn)效率方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，具備大面積推廣的前景。通過(guò)分析采用定向長(zhǎng)鉆孔所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，為礦井提升抽采裝備水平、增加抽采專業(yè)隊(duì)伍提供理論依據(jù)。具體效益分析如下：

表1 定向長(zhǎng)鉆孔和短距離鉆孔投入資金對(duì)比表

大孔徑長(zhǎng)距離施鉆技術(shù)資金 類別 孔數(shù)（個(gè)）進(jìn)尺（米）封孔成本 材料成本 油脂成本 配件成本 人工成本合計(jì)單價(jià)（元/個(gè)）小計(jì)（元）單價(jià)（元/個(gè)）小計(jì)（元）單價(jià)（元/個(gè)）小計(jì)（元）單價(jià)（元/個(gè)）小計(jì)（元）單價(jià)（元/個(gè)）小計(jì)（元）長(zhǎng)距離預(yù)軸鉆孔 35 17350 2500 87500 29.64 514254 0.45 7807.5 43.29 751082 30.4 527440 1888083.5小計(jì) 35 17350 87500 514254 7807.5 751082 527440 1888083.5備注：按照每一循環(huán)施工5 個(gè)鉆孔，正前1 個(gè)，左右鉆場(chǎng)各2 個(gè)，孔深600 ～800m，保留20m，掘進(jìn)580 ～780m。

（1）鉆孔工程量：采用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)施工4901 回風(fēng)巷的常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔，需施工鉆孔1603 個(gè)，進(jìn)尺216360m，開設(shè)鉆場(chǎng)62 個(gè)；而采用定向鉆機(jī)施工定向長(zhǎng)鉆孔只需施工鉆孔223 個(gè)，進(jìn)尺68170 米，開設(shè)鉆場(chǎng)36 個(gè)。通過(guò)對(duì)比，可以看出定向長(zhǎng)鉆孔相比與常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔減少施工鉆孔1380 個(gè)，減少鉆孔進(jìn)尺148190 米，減少施工鉆場(chǎng)26 個(gè)，將大幅度降低瓦斯治理工程量。

（2）資金投入：采用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)施工4901 回風(fēng)巷的常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔，需要投入設(shè)備、材料、配件、人工資金1889 萬(wàn)元，而采用定向鉆機(jī)施工定向長(zhǎng)鉆孔只需投入設(shè)備、材料、配件、人工資金777 萬(wàn)元。通過(guò)對(duì)比，采用定向長(zhǎng)鉆孔能減少礦井生產(chǎn)成本1112 萬(wàn)元（后附定向長(zhǎng)鉆孔和短距離鉆孔投入資金對(duì)比表），經(jīng)濟(jì)效益巨大。

（3）抽采效果：采用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)施工4901 回風(fēng)巷的常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔，在同一循環(huán)內(nèi)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔與煤壁的接觸面積為8．97m2，而定向長(zhǎng)鉆孔與煤壁的接觸面積為33．9m2。通過(guò)對(duì)比，定向長(zhǎng)鉆孔與煤壁的接觸面積是常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔的3．8 倍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，定向長(zhǎng)鉆孔的抽采效果是常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔的2 倍，瓦斯抽采時(shí)間則是常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔的一半。

（4）人工效率：以施工600 米掘進(jìn)順槽巷道為例，采用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)施工常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔累計(jì)需要36 天，鉆機(jī)搬家6 次；而采用定向鉆機(jī)施工定向長(zhǎng)鉆孔只需要25 天，鉆機(jī)搬家1 次。通過(guò)對(duì)比，采用定向長(zhǎng)鉆孔較常規(guī)掘進(jìn)預(yù)抽鉆孔節(jié)省11 天，且鉆機(jī)不需頻繁搬家，相應(yīng)的人工投入也更低[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以沙曲二號(hào)煤礦九采區(qū)4901 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為例，通過(guò)引進(jìn)定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定向長(zhǎng)鉆孔一次性施工，減少了鉆孔工程量；鉆孔孔徑大增加了煤體暴露面積，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)壓、大流量瓦斯抽采，不但提高了抽采效果、縮短了預(yù)抽時(shí)間、減少了輔助工序，降低了鉆孔綜合成本，還實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)隊(duì)組的“一隊(duì)一頭，快速掘進(jìn)”，消滅了“拼刺刀”式的防突措施，避免了掘進(jìn)隊(duì)組頻繁搬家倒面，對(duì)于保障礦井的正常接續(xù)及安全生產(chǎn)具有重要意義。