深部地區(qū)復(fù)雜巖層高位定向長鉆孔立體抽采瓦斯技術(shù)應(yīng)用

陳曉永

（冀中能源 峰峰集團(tuán)公司，河北 邯鄲 056107）

1 概 況

峰峰集團(tuán)所屬礦井位于峰峰礦區(qū)，峰峰礦區(qū)位于邯鄲市西部及西南部，行政區(qū)劃屬于峰峰礦區(qū)、磁縣、武安市。峰峰礦區(qū)地理位置位于太行山東部邊緣，煤層發(fā)育時(shí)代為石炭—二疊系，地質(zhì)構(gòu)造條件及水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)有2、4、6、7、8、9 六層可采煤層，其中7、8、9 號煤層和深部6 號煤層受煤層基底厚約600 m 的奧灰含水層威脅不能開采，現(xiàn)只開采2、4 和淺部6 號煤層。本部現(xiàn)有生產(chǎn)礦井10 對，其中煤與瓦斯突出礦井6對，高瓦斯礦井1 對，突出礦井占一半以上。所屬礦井煤層瓦斯含量為2 ～22 m3/t，瓦斯壓力為0.1～1.5 MPa，瓦斯涌出絕對量260 m3/min 左右。隨著采深的繼續(xù)加大，瓦斯含量和壓力也隨之增加[1]。

2 瓦斯抽采高位定向長鉆孔技術(shù)

根據(jù)鉆孔自然彎曲的特點(diǎn)或使用專用工具，使鉆孔軌跡按照人們預(yù)先設(shè)計(jì)好的路徑，鉆進(jìn)特定目標(biāo)點(diǎn)的一種鉆探方法被稱為井下鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù)[2-6]，即有目的地把鉆孔軸線按設(shè)計(jì)要求在彎與直之間來回轉(zhuǎn)換。

高位定向長鉆孔實(shí)質(zhì)就是依靠井下定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，在采空區(qū)上覆巖層的裂隙帶內(nèi)平行穩(wěn)定的打通一條抽采瓦斯的通道。在采面進(jìn)行生產(chǎn)工作時(shí)，高位定向長鉆孔運(yùn)用裂隙帶內(nèi)因采動(dòng)作用而充分發(fā)育的破裂、離層裂隙去抽采鄰近層與采空區(qū)匯集于此的大量瓦斯[7-10]。抽采形式如圖1 所示。

圖1 高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意Fig.1 Gas extraction in goaf by high directional long borehole

3 復(fù)雜巖層高位定向鉆孔立體抽采技術(shù)

3.1 鉆孔合理布設(shè)層位與寬度優(yōu)化分析

高位定向鉆孔抽采上隅角瓦斯的機(jī)理是將鉆孔終孔位置布設(shè)在煤層頂板上的冒落帶頂部與裂隙帶中下部的“O”型圈內(nèi)，以抽采上隅角積聚的瓦斯降低回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛取ｃ@孔抽采效果關(guān)鍵在于終孔位置的選擇，因此鉆孔垂直層距和水平錯(cuò)距的選擇至關(guān)重要。

3.2 垂直層距的確定

當(dāng)工作面向前推采時(shí)，工作面后方的采空區(qū)沿垂直方向形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，暴露煤體所吸附的瓦斯不斷解吸，由于瓦斯的自然特性和進(jìn)入到冒落帶以后受工作面通風(fēng)壓力綜合作用，瓦斯氣體會偏向工作面上隅角的方向流動(dòng)和沿著裂隙帶上浮。抽采采空區(qū)瓦斯，一般應(yīng)把鉆孔布置在裂隙帶中。主要是因?yàn)榱严稁咚怪饕ㄟ^煤體或裂隙，以滲流的形式流入裂隙帶，受工作面通風(fēng)影響較小，瓦斯?jié)舛纫草^大，另外鉆孔布置在裂隙帶，不易破壞，便于鉆孔長期穩(wěn)定地抽出高濃瓦斯。因此基于上覆巖層“三帶”發(fā)育情況和卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律，將瓦斯抽采鉆孔水平段的層位選擇布置在穩(wěn)定且導(dǎo)氣的裂隙帶中，不僅能夠提高瓦斯抽采濃度，保證抽采效果穩(wěn)定可靠，而且還能減少瓦斯積聚危險(xiǎn)。

為了確保抽采鉆孔的穩(wěn)定性和抽采效果，基于數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測確定的冒落帶和裂隙帶高度，垂向上將鉆孔布置在煤層頂板上方12 ～46 m 處。

3.3 水平錯(cuò)距的選取

采空區(qū)覆巖隨著工作面的不斷推進(jìn)而不斷發(fā)生運(yùn)移破斷，在關(guān)鍵層破斷形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)的支撐下，采空區(qū)四周存在裂隙高度發(fā)育的“O”型圈。“O”型圈內(nèi)橫豎導(dǎo)通的裂隙為采空區(qū)瓦斯提供了富集空間和流動(dòng)通道。甲烷是瓦斯的主要成分，其密度約為空氣密度的一半，在密度差的作用下，瓦斯沿裂隙通道向上升浮并在裂隙帶內(nèi)富集。利用“O”型圈這一特性和采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征，將鉆孔布置在裂隙圈的回風(fēng)側(cè)。抽采鉆孔內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷的距離在抽采鉆孔布置層位距煤層底板的垂高為12 ～46 m 時(shí)，內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷的水平距離為8.7～68.3 m。

3.4 鉆孔參數(shù)的確定

根據(jù)礦井2 號煤工作面煤層頂板上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)得出裂隙帶的發(fā)育范圍和裂隙帶內(nèi)瓦斯運(yùn)移賦存規(guī)律，結(jié)合上述鉆孔垂距和平距設(shè)計(jì)原則，可優(yōu)化設(shè)計(jì)高位定向長鉆孔的布置空間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裂隙帶卸壓瓦斯的立體抽采（圖2）。鉆孔參數(shù)可以根據(jù)穿遇巖層地質(zhì)情況和開采布置情況等適當(dāng)調(diào)整。

圖2 高位定向孔立體抽采布孔示意Fig.2 Three-dimensional drainage of directional hole with high position

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 高位定向孔施工情況

大淑村礦172107 工作面位于一采區(qū)深部，該工作面下伏各煤層均未開采。本煤層屬二疊系山西組地層，煤層賦存穩(wěn)定，一般厚5.4 m 左右，煤層上部一般為1 層夾矸，局部2 層，頂夾矸厚0.2 ～0.5 m，距煤層頂板0.3 ～0.5 m；平均走向長633 m，平均傾斜長145.5 m。工作面下伏野青煤保護(hù)層未開采，該工作面對應(yīng)區(qū)域礦壓大、瓦斯含量較高，為5.96 m3/t。

該工作面先后進(jìn)行了2 個(gè)鉆場的實(shí)驗(yàn)，選取施工較為成功的3 號鉆場的施工布置為例。3 號鉆場布置在172107 上順槽210 號點(diǎn)位置，鉆孔開孔時(shí)距工作面推采位置520 m，該鉆場設(shè)計(jì)施工1 個(gè)鉆孔，為C1 號鉆孔，孔深510 m 左右，層位控制在2 號煤頂板以上18 m，1 號煤線下方穩(wěn)定砂巖層，鉆孔軌跡如圖3 所示，3 號鉆場定向鉆孔施工剖面如圖4 所示。

圖3 3 號鉆場定向鉆孔施工示意Fig.3 Directional drilling construction in No.3 drilling site

圖4 3 號鉆場定向鉆孔施工剖面圖Fig.4 Construction section of directional drilling in No.3 drilling site

4.2 抽采效果對比

172107 工作面3 號鉆場的定向長鉆孔施工結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行了接抽并實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在172107 工作面施工高位定向長鉆孔前，該工作面通過施工高位瓦斯鉆孔布孔工藝對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ热鐖D5 所示，瓦斯純量對比如圖6 所示。

從圖5 ～6 中可以看出，高位定向長鉆孔抽采瓦斯時(shí)，隨著高位定向鉆孔逐漸深入采空區(qū)，瓦斯抽采純量逐漸增大，然后穩(wěn)定在采空區(qū)瓦斯涌出量平均值附近。瓦斯抽采量除1 ～2 次突變外，整體上保持著較為穩(wěn)定的狀態(tài)。2018 年11 月平均瓦斯抽采濃度與平均瓦斯抽采純量分別約為24%和3.3 m3/min。

高位鉆孔抽采瓦斯時(shí)，瓦斯抽采純量在2017年9 月5 日～8 日達(dá)到最高值,約為3.3 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最高值約為20%。而后兩者皆呈現(xiàn)出下降趨勢。其抽采瓦斯?jié)舛扰c抽采純量于2017 年9 月 12 日達(dá)到最低值，分別為 5.1%和0.56 m3/min。分析原因，主要是高位鉆場的有效抽采時(shí)段較短，隨著工作面推進(jìn)，鉆孔逐漸落入冒落帶，會與工作面發(fā)生串風(fēng)，抽采效果不穩(wěn)定。

圖5 高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.5 Comparison of gas extraction concentration between high directional drilling and ordinary high directional drilling

圖6 高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對比Fig.6 Comparison of gas extraction scalar volume between high-position directional drilling and ordinary high-position drilling

172107 工作面高位定向長鉆孔抽采瓦斯純量整體上大于高位鉆孔抽采瓦斯，雖然初期高位定向長鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞繘]有高位鉆孔增加的快，但是隨著工作面的持續(xù)回采，大直徑高位定向長鉆孔通過裂隙帶與采空區(qū)導(dǎo)通更加豐富，瓦斯抽采純量、抽采濃度持續(xù)增加，并進(jìn)入穩(wěn)定抽采期；而普通高位鉆孔有效抽采孔段短，隨著高位鉆孔逐漸被工作面推過，瓦斯抽采純量、抽采濃度均迅速進(jìn)入低位，并持續(xù)在低位徘徊。因此，通過172107 工作面的抽采試驗(yàn)，大直徑高位定向長鉆孔完全可以替代高位瓦斯鉆孔，有效治理工作面采空區(qū)瓦斯，保證工作面安全生產(chǎn)。

4.3 高位定向長鉆孔替代高位瓦斯鉆孔實(shí)踐

羊東礦8272 回采工作面位于五二采區(qū)，工作面標(biāo)高-572.6—-707.7 m。8272 工作面采用放頂煤采煤工藝，U 型通風(fēng)方式。工作面走向長度1 010 m，傾向長178 m，工作面切眼靠近運(yùn)料巷位置有68 ～82 m 位于未保護(hù)區(qū)，未保護(hù)區(qū)采取順層鉆孔預(yù)抽區(qū)域防突措施，工作面高頂鉆場正常抽采量為 3.5 ～ 4.2 m3/min。

此次共完成2 個(gè)高位定向鉆孔的施工，施工情況如圖7 所示，1 號孔距大煤頂板約為25 m，水平距離運(yùn)料巷30 m 左右，2 號孔距大煤頂板約為35 m，水平距離運(yùn)料巷30 ～80 m。鉆孔孔徑120 mm。

為驗(yàn)證千米鉆場2 個(gè)鉆孔抽采效果，羊東礦于7 月29 日對鉆孔抽采情況進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)過程是將8272 運(yùn)料巷高位鉆場在抽鉆孔全部關(guān)閉，對千米鉆場2 個(gè)鉆孔進(jìn)行定時(shí)觀測（表1）。

圖7 羊東礦8272 工作面高位定向孔施工平面圖Fig.7 Construction plane of high directional hole in 8272 working face of Yangdong Mine

表1 8272 工作面定向鉆孔替代高頂鉆場抽采數(shù)據(jù)情況Table 1 Extraction data of directional drilling instead of high-top drilling field at 8272 working face

經(jīng)過對比分析8272 工作面高位定向長鉆孔可以替代高頂鉆場作用，在徹底停抽高頂鉆場后，8272 工作面上隅角、采空區(qū)、回風(fēng)等地點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葲]有較大變化。后續(xù)8272 工作面保持停抽高頂鉆場近一個(gè)月時(shí)間，均沒有出現(xiàn)瓦斯異常情況。

表2 8272 工作面瓦斯變化情況Table 2 Changes of gas in 8272 working face

5 結(jié) 論

（1） 在采用高位定向鉆孔技術(shù)之前，工作面推采至原高位瓦斯抽采鉆孔交替段時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛冉?jīng)常會出現(xiàn)波動(dòng)，明顯增大，現(xiàn)利用高位定向長鉆孔避免了鉆孔交替布置時(shí)出現(xiàn)的瓦斯波動(dòng)增大情況，有效解決了采場和上隅角瓦斯超限問題，為保證工作面安全回采，煤礦安全生產(chǎn)提供了有力的保證。

（2） 高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)覆巖卸壓瓦斯實(shí)踐表明，高位定向孔比普通高位鉆孔覆蓋范圍廣、抽采效果穩(wěn)定，可以代替普通穿層高位鉆孔抽采采空區(qū)卸壓瓦斯，經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和社會效益效果顯著。