裂縫帶順層長鉆孔瓦斯抽采技術研究

郝 鋼，王 飛，王永文，賀志宏，劉 斌，申 龍

(1.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西省太原市，030024；2.山西焦煤汾西礦業宜興煤業有限責任公司，山西省呂梁市，032300；3.山西汾西礦業(集團)有限責任公司，山西省晉中市，032000；4.西山煤電(集團)有限責任公司，山西省太原市，030000)

工作面回采會破壞原巖的力學平衡狀態，在上覆巖層產生采動裂隙，受到頂板巖層巖性、煤層開采厚度、地質構造及工作面開采強度等多種因素的影響，上覆巖層形成的裂縫帶發育情況也呈現不同[1-3]。為了解決工作面回采期間瓦斯涌出量大、瓦斯含量高的問題，常規使用的瓦斯治理方法有本煤層順層鉆孔預抽、普通頂板裂縫帶高位傾向鉆孔預抽、高(底)抽巖巷及采空區埋管抽采等[4]。文獻[5-7]對定向鉆機在施工頂板大直徑高位定向鉆孔關鍵技術及設備方面進行了介紹，包括自動化定向鉆機集成控制、多參數隨鉆測量信息融合、高精度導向控制、沖洗液循環自動控制等方面，為頂板定向長鉆孔的施工奠定了技術和裝備基礎；文獻[8-10]認為采用頂板鉆孔較普通穿層高位鉆孔瓦斯抽采效果更佳，對鉆孔層位及鉆孔參數等進行了介紹，同時對裂縫帶瓦斯聚集區瓦斯抽采應用效果進行了考察，認為高位鉆孔參數優化對抽采效果有著重要的影響；文獻[11]對高位定向長鉆孔定向鉆進及回轉擴孔工藝進行了研究；文獻[12]提出頂板定向長鉆孔替代高抽巷治理采空區瓦斯模式，實踐證明采用“以孔代巷”瓦斯抽采技術可有效治理瓦斯；文獻[13]提出了長度超過500 m的大直徑(Φ203 mm)頂板定向長鉆孔抽采技術，將定向鉆孔施工孔徑大小推到新的高度。

曙光煤礦采用在高位鉆場施工高位鉆孔抽采采空區瓦斯的防治措施，由于現有的普鉆鉆孔深度淺、軌跡不可控制、鉆場數量多、鉆機臺月效率低等因素，在煤炭經濟形勢低迷的大環境下，如何降本增效、安全開采成為制約曙光煤礦瓦斯治理的難題，為此引入裂縫帶順層長鉆孔瓦斯抽采技術。該技術對保障曙光煤礦安全生產具有重要意義，同時將對我國目前瓦斯礦井中頂板高位定向長鉆孔取代高位抽采巷道產生積極的推動作用，其社會、經濟效益十分巨大。

1 工程背景

曙光煤礦隸屬于汾西礦業集團，礦井生產規模為90萬t/a，現主要開采2號煤層，2號煤層為礦井的主采煤層，位于山西組中下部，煤層平均厚度2.85 m，煤層傾角為1°～4°。1226綜采工作面位于一采區西翼，北鄰為尚未掘進的1228材料巷，南鄰尚未掘進的1224運輸巷，東鄰一采區集中軌道巷，西至一采區邊界。工作面推進長度1 563 m，開切眼長度176 m。

2號煤層流量衰減系數為0.045 d-1，透氣性系數λ為0.632 6 m2/(MPa2·d)，屬可抽放煤層。2號煤層抽采前煤層瓦斯最大壓力0.28 MPa，吸氧量為0.57～0.70 cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層，自然發火期為86 d，具有爆炸性。根據《1226綜采工作面抽采設計》分析工作面瓦斯涌出量主要來源于工作面采空區，故1226綜采工作面采空區瓦斯是1226綜采工作面瓦斯治理的重點。

2 高位定向鉆孔參數設計

2.1 垂直高度

高位定向鉆孔主要用于治理采空區及上隅角瓦斯，將鉆孔布置于頂板裂縫帶內，在后期采動影響作用下，頂板內產生大量裂隙，并與高位定向鉆孔導通，形成鉆孔與采空區及上隅角瓦斯抽采通道，從而進行瓦斯抽采。為了提高高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，根據該技術原理，高位定向鉆孔最佳布孔層位應在頂板裂縫帶內。因此，為了準確確定頂板裂縫帶發育高度，有必要進行布孔層位的研究。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，對于緩傾斜煤層中硬頂板條件下垮落帶和裂縫帶由式(1)和(2)進行計算：

式中：Hm——垮落帶高度，m；

Hd——裂縫帶高度，m；

M——工作面采高，m。

曙光煤礦2號煤層平均厚度為2.85 m，平均傾角為3°，按照式(1)和(2)計算結果得出垮落帶高度最大約為11.0 m，裂縫帶高度最大約為40.5 m。采動裂縫帶為瓦斯擴散通道及存儲空間，為了有效抽采瓦斯，現場生產中通常將高位鉆孔布置在垮落帶和裂縫帶交界面上方3.0～12.0 m層位，即鉆孔層位應選擇在14.0～23.0 m。曙光煤礦實踐經驗值在17.1～28.5 m，綜合考慮，本次定向鉆孔層位布設于裂縫帶中下部瓦斯聚集區域17.1～22.8 m。

2.2 水平距離

頂板定向長鉆孔的終孔與回風巷的水平距離也是一個重要的參數，鉆孔平行于回風巷布置，與回風巷最小距離大約為煤層采高的2倍，最大距離約為工作面開切眼寬度的1/3，鉆孔間距約為5～10 m。曙光煤礦1226工作面預計正?；夭善陂g最大瓦斯涌出量為8 m3/min，采空區瓦斯涌出量約占總涌出量的60%，為4.8 m3/min，為了提高鉆孔瓦斯抽采效果，鉆孔終孔孔徑設計為153 mm，設計鉆孔數量為3個，鉆孔分布范圍距回風巷在15～35 m之間，鉆孔間距為10 m，即3個鉆孔距離巷道分別為15、25、35 m。

3 大直徑鉆孔的設計與施工

3.1 鉆孔設計

在曙光煤礦1226回采工作面施工3個高位鉆場，每個鉆場共布置3個高位定向鉆孔，1號、2號、3號鉆孔水平方向分別距離1226運輸巷側幫15、25、35 m，如圖1(a)所示；豎直方向上分別距離2號煤層17.1、20.0、22.8 m，如圖1(b)所示。

圖1 鉆孔設計布置圖

3.2 鉆孔施工

鉆孔施工選用ZDY12000LD型煤礦用全液壓坑道鉆機，3個鉆場共計施工9個高位鉆孔，鉆孔參數見表1。

現場生產中主要施工工序包括鉆孔軌跡設計、定向鉆進和復合鉆進軌跡控制、開孔、鉆進、退鉆探底、擴孔和封孔等工序，鉆具組合主要采用Φ120 mm PDC平底定向鉆頭、Φ89 mm無磁鉆桿和Φ89 mm中心通纜鉆桿，隨后采用Φ120 mm/Φ153 mm PDC擴孔鉆頭進行全孔段擴孔，將鉆孔終孔孔徑由Φ120 mm增大至Φ153 mm。成孔期間結合隨鉆測量系統實時測量鉆孔軌跡傾角、方位角及螺桿馬達工具面向角等參數，對鉆孔施工軌跡進行實時校正。

表1 大直徑頂板定向長鉆孔施工參數

4 大直徑頂板定向長鉆孔效果分析

4.1 施工效率及成本分析

4.1.1施工效率對比分析

曙光煤礦現有鉆探設備為ZDY1900S分體式鉆機、Φ63.5 mm普通外平鉆桿、Φ94 mm三翼平底鉆頭，采用回轉鉆進、靜壓水排渣方法。1226 綜采工作面可采走向長度1 340 m，根據曙光煤礦以往工作面裂縫帶穿層鉆孔設計，每間隔60 m布置1個鉆場(回轉鉆進技術)，該工作面共需要布置22個鉆場，每個鉆場布置7個裂縫帶鉆孔，其中，4個高位裂縫帶鉆孔、3個低位裂縫帶鉆孔。根據曙光煤礦以往裂縫帶鉆孔施工情況分析，平均13 d(1 d移鉆機、12 d施工)施工完1個鉆場7個鉆孔，即平均鉆進效率3 m/h，每個鉆孔100 m后方進入目標層位，故每個孔有效孔段約34 m，占總孔深的25%，完成該工作面施工任務總共需要286 d。

1226綜采工作面可采走向長度1 340 m，每間隔450 m布置1個鉆場(定向鉆進技術)，該工作面共需要布置3個鉆場，每個鉆場布置3個裂縫帶順層長鉆孔，設計鉆孔深度560 m，使用ZDY12000LD型液壓鉆機施工，則該工作面裂縫帶順層長鉆孔總共進尺5 040 m。根據3號鉆場鉆孔施工統計分析，3號鉆場施工的3個裂縫帶順層長鉆孔總共進尺1 611 m，共計施工94個班次，移鉆機3個班次，施工完1個鉆場需要97個班次(33 d)，即平均鉆進效率2 m/h，完成該工作面施工任務總共需要105 d。對比數據見表2。

表2 回轉鉆進技術與定向鉆進技術施工數據統計

通過表2對比分析，采用定向鉆進技術，鉆場數量由22個減至3個，減少86%；有效孔段比率由25%提升至80%，提高2.2倍；鉆孔孔徑由94 mm增大至153 mm，提高63%；鉆孔進尺量由20 592 m減少至5 040 m，減少76%；鉆孔施工工期由286 d減至105 d，減少63%，可見定向鉆進技術在鉆場數量、鉆孔有效孔段比例、鉆孔進尺量和工期都明顯優于普通回轉鉆進技術。

4.1.2施工成本對比分析

曙光煤礦原通過普通高位鉆孔方式來治理采空區及上隅角的瓦斯，以1226工作面為例，共需布置22個鉆場，施工154個鉆孔，共計進尺20 592 m，綜合材料費、人工費、設備折舊等每米進尺單價111.9元/m，施工總成本共計230萬元。改用定向高位鉆孔方案后，1226工作面僅需布置3個鉆場，施工9個鉆孔，共計進尺5 040 m，每米進尺單價257.3元/m，施工總成本共計130萬元。改用定向高位鉆孔方案后，1226工作面瓦斯治理可節約成本100萬元，成本降低約43%，降本增效明顯。

4.2 瓦斯抽采效果評價

為了評價頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，在1226工作面回采時對頂板高位定向鉆孔和普通高位鉆孔進行了瓦斯抽采參數的測定，對比分析普通高位鉆孔和定向高位鉆孔瓦斯抽采效果。1226工作面同時采用普通高位鉆孔和頂板高位定向長鉆孔治理采空區及上隅角瓦斯，在該工作面布置2個普通高位鉆場，每個鉆場布置7個普通高位鉆孔；布置3個定向高位鉆場，每個鉆場布置3個頂板高位定向鉆孔，見表3。

表3 1226工作面高位鉆場布置

4.2.1各鉆場瓦斯抽采效果對比分析

對定向高位鉆場和普通高位鉆場各鉆孔瓦斯抽采數據進行對比，定向高位鉆場3號鉆孔平均單孔瓦斯抽采純量為1.03 m3/min，平均單孔瓦斯抽采濃度為28.40%，累計抽放純量約65萬m3；定向高位鉆場4號鉆孔平均單孔瓦斯抽采純量為1.55 m3/min，平均單孔瓦斯抽采濃度為49.80%，截至2019年12月16日累計抽放純量15萬m3；普通高位1號鉆孔平均單孔抽采純量為0.14 m3/min，平均單孔瓦斯抽采濃度為13.81%，累計抽放純量1.45萬m3；普通高位2號鉆孔平均單孔瓦斯抽采純量為0.15 m3/min，平均單孔瓦斯抽采濃度為14.40%，累計抽放純量3.56萬m3，各鉆場鉆孔瓦斯抽采數據見表4?？梢姸ㄏ蚋呶汇@孔單孔平均抽采純量為普通高位鉆孔的7倍以上，單孔平均抽采濃度為普通高位鉆孔的2倍以上，鉆孔抽采壽命為普通高位鉆孔的3倍以上，定向鉆場抽采總量為普通鉆場的10倍以上。

從上述各鉆場瓦斯抽采效果對比分析數據中可以看出，裂縫帶順層長鉆孔在瓦斯抽采濃度、純量、抽采壽命和抽放量都明顯優于普通高位鉆孔，一方面是由于采用定向鉆進技術成孔，鉆孔軌跡可人為控制，鉆孔鉆遇目標層位精度高且有效孔段長；另一方面是由于該類鉆孔深、鉆孔孔徑大。

4.2.2回風流瓦斯濃度

通過對1226工作面回采期間工作面回風流瓦斯濃度進行監測，通過統計分析，回采期間工作面回風流瓦斯濃度最大為0.60%，平均濃度分別為0.35%，可見定向高位鉆孔進行工作面采空區及上隅角瓦斯治理效果良好，有效保障了工作面的回采安全。

表4 1226工作面各高位鉆孔瓦斯抽采數據統計表

5 結論

(1)通過理論計算了曙光煤礦垮落帶高度為11.0 m，裂縫帶高度為40.5 m；垂直方向上定向鉆孔層位布設于裂縫帶中下部瓦斯聚集區域17.1～22.8 m；水平方向上鉆孔分布范圍距回風巷在15～35 m之間，鉆孔間距為10 m。

(2)對大直徑頂板定向長鉆孔的施工工藝進行了介紹，分析了其技術優勢，與普通高位鉆場抽采工藝相比，定向鉆進技術在鉆場數量、鉆孔有效孔段比例、鉆孔進尺量、工期及施工成本都明顯優于普通回轉鉆進技術，采用定向鉆進技術施工裂縫帶順層長鉆孔對曙光煤礦降本增效意義顯著。

(3)瓦斯抽采效果明顯優于常規鉆進技術，鉆孔有效孔段比率由25%提升至80%，提高2.2倍；鉆孔孔徑由Φ94 mm增大至Φ153 mm，提高63%；鉆場數量由22個減至3個，減少86%；鉆孔進尺量由20 592 m減少至5 040 m，減少76%；鉆孔施工工期由286 d減至105 d，減少63%；施工成本降低44%；平均單孔瓦斯抽采純量由0.15 m3/min提高至1.55 m3/min，提高了9倍；鉆孔抽采壽命由18～33 d提高至146 d以上，提高了4倍以上?，F場實踐表明，采用Φ153 mm的大直徑頂板定向長鉆孔對煤層瓦斯進行抽采技術可行、效果良好，有很好的推廣應用前景。