基于定向攔截鉆孔的工作面瓦斯治理技術(shù)

申 健

（晉城市自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中心，山西 晉城 048000）

1 引言

瓦斯抽采是目前解決瓦斯問(wèn)題應(yīng)用廣泛和行之有效的方法之一[1-3]，采用定向鉆機(jī)施工區(qū)域遞進(jìn)式鉆孔預(yù)抽瓦斯，能顯著提高煤層瓦斯治理效果，現(xiàn)已成為我國(guó)煤礦瓦斯高效抽采的主要技術(shù)途徑。定向鉆進(jìn)技術(shù)能夠保證鉆孔軌跡定位可靠，增長(zhǎng)鉆孔有效抽采距離，單孔瓦斯?jié)舛燃俺榉帕扛摺Ａ硗舛ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)施工的鉆孔能均勻覆蓋整個(gè)工作面，具有鉆進(jìn)效率高、一孔多用、集中抽采等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。但由于煤體應(yīng)力狀態(tài)變化發(fā)生的塌孔現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致鉆孔有效抽采時(shí)間縮短，且區(qū)域遞進(jìn)式定向鉆孔覆蓋區(qū)域巷道掘進(jìn)時(shí)割斷鉆孔孔內(nèi)殘留瓦斯易造成巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬撸瑖?yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。

2 攔截鉆孔的設(shè)計(jì)及施工

2.1 施工攔截鉆孔的目的

東五盤(pán)區(qū)5310 工作面切眼、尾巷由53094 巷16#千米鉆場(chǎng)施工區(qū)域遞進(jìn)式定向鉆孔預(yù)抽瓦斯。由圖1（圖中“○”代表打鉆異常位置）可看出，鉆孔在施工過(guò)程中均不同程度出現(xiàn)了返水小、鉆進(jìn)壓力大、破碎煤、塌孔等異常現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了鉆孔抽采效果。后期鉆場(chǎng)瓦斯測(cè)量數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域鉆孔均出現(xiàn)抽采濃度和純量異常現(xiàn)象。由此判斷，該區(qū)域鉆孔抽采能力已受到極大制約，孔內(nèi)積聚有高濃度瓦斯，為巷道掘進(jìn)埋下了極大的安全隱患。基于上述問(wèn)題并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際特點(diǎn)，決定在5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)施工攔截鉆孔，以期達(dá)到攔截53094巷16#千米鉆場(chǎng)鉆孔孔內(nèi)瓦斯，保證巷道掘進(jìn)安全的目的。

2.2 普通攔截鉆孔

以往的攔截孔主要采用普通鉆機(jī)施工，鉆孔按列布置，每組攔截孔布置1～2 列，每列5 個(gè)鉆孔，通過(guò)控制鉆孔施工傾角，在目標(biāo)鉆孔所在區(qū)域煤體內(nèi)鉆孔全斷面覆蓋，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)鉆孔攔截的目的。普通鉆機(jī)攔截孔施工需要在巷道內(nèi)專(zhuān)門(mén)施工鉆場(chǎng)，且普通鉆機(jī)因沒(méi)有軌跡測(cè)量裝置，無(wú)法對(duì)鉆孔進(jìn)行精準(zhǔn)定位，實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差較大，攔截效果欠佳，故用普通鉆機(jī)施工攔截孔已越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足掘進(jìn)需要。

圖1 53094 巷16#千米鉆場(chǎng)鉆孔覆蓋圖

2.3 定向攔截鉆孔的設(shè)計(jì)及施工

5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)首次采用了“布置在定向鉆孔覆蓋區(qū)域內(nèi)”的施工方案。為保證攔截孔抽采效果，同時(shí)盡可能避免后期巷道掘進(jìn)過(guò)程中取芯鉆孔對(duì)攔截孔的影響，5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)1#攔截孔設(shè)計(jì)3 條分支，分支間距10 m。第一條分支布置在5310 尾巷輪廓線(xiàn)以東20 m 位置；因普通鉆孔軌跡控制困難，取芯過(guò)程中可能與1#孔發(fā)生穿孔影響抽采效果，故在1#孔旁邊10 m位置布置2#攔截孔，2#孔設(shè)計(jì)2 條分支，分支間距10 m。5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔平面布置圖如圖2。

圖2 5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔平面布置圖

通過(guò)對(duì)53094 巷16#千米鉆場(chǎng)已施工鉆孔層位分析，判斷該區(qū)域5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)攔截孔為2°～3°上坡鉆孔。充分利用定向鉆孔具有軌跡可定位的特點(diǎn)，5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)施工的定向攔截鉆孔首次采用了“主分支鉆進(jìn)，探頂分支打穿”的施工工藝，即主分支在3#煤頂板以下2～3 m 層位施工鉆進(jìn)，通過(guò)合理選取分支點(diǎn)開(kāi)探頂分支與已施工定向鉆孔穿孔，探頂分支穿孔后水和煤渣可順利排出，最大程度上避免了穿孔后堵孔現(xiàn)象的發(fā)生。

攔截鉆孔施工工程中主要通過(guò)觀(guān)察返水返渣情況來(lái)判斷是否發(fā)生穿孔，若返水返渣突然變小，同時(shí)53094 巷16#千米鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔出水量突然增多，且出水為黑色，并伴有煤渣，可判定該分支成功與已施工鉆孔發(fā)生穿孔。5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)攔截孔成功與53094 巷16#千米鉆場(chǎng)原施工鉆孔穿孔，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具體穿孔位置（○標(biāo)注）如圖3。

圖3 5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔穿孔位置分布圖

3 治理效果分析

3.1 瓦斯流向的改變

5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)施工的定向攔截鉆孔首次實(shí)現(xiàn)了在原區(qū)域遞進(jìn)式定向鉆孔覆蓋區(qū)域內(nèi)成孔并與已施工鉆孔打穿，對(duì)已施工鉆孔孔內(nèi)瓦斯成功進(jìn)行了攔截，改變了鉆孔覆蓋區(qū)域內(nèi)瓦斯流向，為原鉆孔孔內(nèi)瓦斯和原始煤體區(qū)域瓦斯提供了穩(wěn)定可控的涌出通道，保證了巷道掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯安全。5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔施工前后區(qū)域內(nèi)瓦斯流向?qū)Ρ葓D如圖4。

3.2 鉆孔瓦斯參數(shù)對(duì)比

5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)施工的1#、2#定向攔截孔成功與53094 巷16#千米鉆場(chǎng)4#、6#、8#、9#孔穿孔，攔截鉆孔封孔測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖4 5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔施工前后區(qū)域內(nèi)瓦斯流向?qū)Ρ葓D

表1 5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)定向攔截孔封孔測(cè)量數(shù)據(jù)

攔截孔施工后，53094 巷16#千米鉆場(chǎng)4#、6#、8#、9#孔鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)均發(fā)生不同程度的衰減，見(jiàn)表2。測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明攔截鉆孔成功對(duì)原孔內(nèi)瓦斯進(jìn)行了攔截。

表2 定向攔截孔封孔前后53094 巷16#相關(guān)鉆孔測(cè)量參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表

3.3 覆蓋區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比

5310 尾巷1#千米鉆場(chǎng)攔截孔的成功施工，是對(duì)53094 巷16#千米鉆場(chǎng)覆蓋區(qū)域抽采效果的補(bǔ)充和強(qiáng)化，施工攔截鉆孔后相對(duì)理論抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間提前了53 d，保證了礦井抽采銜接需要。定向攔截孔施工前后53094 巷16#千米鉆場(chǎng)覆蓋區(qū)域理論抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 定向攔截孔施工前后53094 巷16#千米鉆場(chǎng)覆蓋區(qū)域理論抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比

3.4 風(fēng)排瓦斯?jié)舛茸兓?/h3>

5310 切眼、尾巷掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生瓦斯超限事故，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中風(fēng)排瓦斯量的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，巷道回風(fēng)甲烷傳感器瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%以下，進(jìn)一步說(shuō)明5310 尾巷定向攔截孔攔截效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，巷道風(fēng)排瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)圖如圖5。

圖5 5310 切眼、尾巷巷道掘進(jìn)過(guò)程中風(fēng)排瓦斯量變化統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論

（1）定向攔截鉆孔為原鉆孔孔內(nèi)瓦斯和原始煤體區(qū)域瓦斯提供了穩(wěn)定可控的涌出通道，保證了巷道掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯安全，提升掘進(jìn)效率。

（2）定向攔截鉆孔能夠大幅縮短施工區(qū)域煤體抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

（3）定向攔截鉆孔可為其他類(lèi)似條件礦井提供借鑒，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。