定向鉆機實施高抽攔截孔消除隅角瓦斯超限技術研究與運用

鐘傳平 朱澤成

摘?要：單一煤層開采的回采工作面上隅角，由于通風系統不暢易發生瓦斯超限，制約煤礦安全生產。通過新工藝新設備定向鉆機的投入，向瓦斯涌出目標層位定向實施高抽攔截鉆孔，定向抽采鄰近層、圍巖、采空區等路徑涌出的瓦斯，為消除工作面隅角瓦斯超限提供保障。

關鍵詞：定向鉆機;裂隙帶;瓦斯抽采;上隅角

走向長壁回采工作面采后，頂板受采動影響產生了冒落-裂隙帶。隅角位于采煤工作面的回風巷上幫與采空區邊緣的三角地帶，該區域通風效果不好，極易引起瓦斯超限，是煤礦瓦斯管控的重點。目前國內外治理上隅角瓦斯方法有專用高抽巷、埋管、正向抽排、高位鉆孔等抽采技術。雖能減少瓦斯超限事故的次數，但存在施工周期長、費用高，埋管抽采后期維護成本高，抽采時間短、衰減快的問題，影響瓦斯治理效果^[1]。積極開展定向鉆機進行高位抽采技術研究與應用，有效防治上隅角瓦斯聚積，增強礦井瓦斯防治能力，實現瓦斯“零”超限目標。

1??礦井瓦斯抽采概況

紅巖煤礦開采二疊統龍潭組K1（6#）煤層，屬單一煤層開采，目前±0m水平南北翼各布置1個綜采工作面作業。采前實施區域綜合防突措施并進行效果檢驗，評判達標，采取安全防護措施進行回采。針對上隅角瓦斯極易超限的問題，配合工作面高位鉆孔攔截瓦斯抽采，成功將采空上方瓦斯富集區與圍巖裂隙瓦斯進行攔截抽采，有效防治圍巖、裂隙瓦斯涌入工作面及采空區，一定程度上保障工作面正常回采。

2??隅角瓦斯來源分析

單一煤層開采工作面回采過程中，原位煤巖體的支撐應力平衡狀態被打破，在重力與采動應力作用下，采空區上方圍巖劇烈下沉、垮塌，拉伸過程中發生斷裂，形成大量裂隙，并與采空區形成瓦斯運移通道。裂隙帶的巖層和煤層呈現卸壓狀態，煤巖層透氣性增加，吸附于煤巖層瓦斯開始解析“活化”^[2]，呈游離態沿縱向裂縫流向采場、隅角，造成回風流瓦斯濃度增高、超限、局部聚集。

3??采動影響“堅三帶橫五區”范圍分析

采動影響作用下，采空區上方煤巖體劇烈下沉導致上覆巖體垮塌與彎曲，處于工作面后方30m左右，由下至上劃分為“豎三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

冒落帶是煤層回采后，上覆巖層失去支撐應力的作用自然垮塌。礦井通常運用經驗值進行估算，為煤層厚度的2-6倍，主要取決于煤層厚度、直接頂巖石的結構和強度性質，老頂對直接頂的影響程度。也可以運用冒落-裂隙帶公式進行計算，與冒落帶的高度，煤層開采的厚度及計算常數與系數有關。通過計算，紅巖煤礦頂板冒落帶高度為6.6m-11.6m，裂隙裂隙帶高度為34.37m-52.17m之間。彎曲下沉帶是裂隙帶以上的煤巖體，受采動影響較小，保存較完整，發育了少量的裂隙，對煤層整體卸壓效果的影響很小^[3]。摸清回采后瓦斯受采動影響，聚積地點、運移通道。

上覆煤巖體沿回采工作面推進方向可以劃分為“橫五區”，即工作面為卸壓區，前方30m為采動影響—地應力集中區，前方30m以外為原應力穩定區，工作面后方30m左右頂板離層區，以外為重新壓實區。卸壓區和頂板離層區受到采動影響最大，走向采動影響與采空區豎向裂隙十分發育，是瓦斯富集帶，瓦斯抽采的重點區域。

4??定向鉆機治理上隅角瓦斯技術

4.1?鉆孔布置技術

前文分析已知，抽采采空區上部頂板離層、區冒落-裂隙帶瓦斯是防治上隅角瓦斯積聚超限的主要方法。裂隙帶距風巷以下15～30m左右，距工作面以上冒落-裂隙帶處，便是需要進行瓦斯抽采的目標。利用煤礦井下坑道鉆機長距離鉆進技術，定向將抽采鉆孔布置在頂板裂隙帶中，從而降低甚至避免因頂板冒落使高位定向鉆孔被封堵、漏氣等弊端，有針對性地對上隅角上方的冒落-裂隙帶、瓦斯進行抽采。

在工作面上回風順槽設抽放鉆場，進行井下高位定向瓦斯抽放鉆孔施工。考慮工作面回采速度、抽采效果、采空區頂板下沉影響抽采等因素，回風巷每超前工作面150m～200m，傾斜方向上施工2-3個高抽孔，間距3-5m，孔徑不小于120mm。在超前工作面大于150m位置開孔，垂直向冒落-裂隙帶施工，然后轉彎順工作面走向，反回采方向施工抽采攔截孔。首先經過工作面前方的采動影響—地應力集中區，穿過工作面卸壓帶，進入工作面后方的“豎三帶”，終孔于K1煤層頂板以上冒落-裂隙帶，實現瓦斯抽采。

設計高位定向鉆孔時，鉆孔必須控制在裂隙帶瓦斯有效抽放范圍內，終孔位置一般是頂板相對穩定的位置，可以有效解決裂隙帶鉆孔服務時間短的問題，達到良好的抽放效果，具有抽采濃度高、抽放量穩定的特點。

4.2?鉆孔施工工藝

礦井采用ZDY4000LD型定向千米鉆機及配套裝備。該鉆機利用螺桿鉆具的造斜能力，改變鉆機鉆進的孔斜角和方位角達到設計目的。利用隨鉆測量儀器實時對鉆孔幾何參數進行精確測量和計算，準確控制鉆孔軌跡，是實現定向鉆進的基礎和關鍵。

利用專用工具使鉆孔軌跡按設計要求延伸至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。

成孔工藝：采用帶有1.25°彎角的螺桿馬達進行定向鉆孔施工時，整個鉆具不回轉，只有螺桿鉆具轉子帶動鉆頭回轉破碎巖石鉆進，現場技術人員根據設計軌跡及煤層具體狀況實時調整螺桿鉆具工具面向角，從而實現鉆孔軌跡受控精確定向的目的。

4.3??瓦斯抽采效果

按照設計要求完鉆，每個鉆孔下入直徑為100mm的篩管，全程下套護孔。采用馬麗散纏繞和注漿封孔相結合的方式進行封孔，封孔長度不低于15m，孔口處用水泥砂漿封堵，保證鉆孔氣密性，抽采負壓大于5kPa。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，安排專人采集高位定向長鉆孔與高位抽鉆孔瓦斯抽采數據。

根據目前常規高位抽采鉆孔的抽采參數，常規高位鉆孔抽采濃度可達35%～80%，平均濃度57%;單孔純流量0.098m³/min～0.37m³/min，平均單孔純流量0.25m³/min。采用定向千米鉆機治理上隅角瓦斯，抽取工作面裂隙帶富集區瓦斯后，單孔接抽管管徑增大為100mm，為原接抽管管徑的2倍，因此定向高位鉆孔單孔純流量至少可以增加到0.5m³/min，抽采純量至少可以增加1倍以上，使工作面回風瓦斯由0.23%～0.35%，降到0.05%～0.15%，工作面上隅角瓦斯下降到0.08%～0.23%之間。經對比計算，采空區、65%左右的瓦斯涌出量高位鉆孔抽走，風排瓦斯量只有30%左右。高位鉆孔的應用解決了紅巖煤礦采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限問題。

5??認識與結語

5.1 通過使用定向鉆機治理煤層瓦斯，在技術分析層面上，使我們重新認識，劃分了“豎三帶、橫五區”，詳細分析瓦斯來源及涌出途徑，為以后工作面瓦斯治理找到新的目標，更好解決回采期間上隅角瓦斯濃度超限問題。

5.2 實施高位定向鉆機抽采冒落-裂隙帶瓦斯，有效防治上隅角瓦斯聚積，必須采集高位定向長鉆孔與高位抽鉆孔瓦斯抽采數據，分析兩種工藝的優劣，從而明確裂隙帶瓦斯抽采的控制因素及其影響機理，為現場采取針對措施治理上隅角瓦斯提供依據。

5.3 進一步加強高位定向鉆孔布置研究，優化鉆孔布置間距，實現高效抽取裂隙帶瓦斯，實現一勞永逸的治理上隅角瓦斯超限問題。

參考文獻：

[1]孫海民.煤礦工作面瓦斯治理的高位鉆孔抽采技術[J].現代礦業，2019，601（5）：141-143.

[2]翟成.近距離煤層群采動裂隙場與瓦斯流動場耦合規律及防治技術研究[D].中國礦業大學，2008.

[3]杜旭.多煤層賦存條件下采場覆巖_豎三帶_分布規律研究與應用[D].煤炭科學研究總院研究生院，2018.

作者簡介：鐘傳平（1975-），男，籍貫：重慶綦江，民族：漢族，職稱：通風工程師，學歷：大專，研究方向：從事礦井一通三防、瓦斯地質、防突新技術、瓦斯治理新工藝技術研究與應用。