定向千米鉆機在寺河礦綜采工作面上隅角瓦斯治理中的應用

曹 銳

（晉能控股煤業集團寺河礦）

寺河礦是國家“九五”期間重點建設項目。采用“一礦兩井”生產模式，開采的3#煤層煤種為低硫、低灰、低磷、高發熱量優質無煙煤。礦井平均煤厚6.0 m，煤層5°左右，采煤方法為綜合機械化大采高綜采工藝。綜采工作面采用“二進一回”多巷通風方式，工作面風流在回風上隅角處呈直角拐彎，采空區涌出的大量瓦斯在工作面上隅角形成集聚，且不易被風流稀釋，經常出現因上隅角瓦斯超限而導致的停產事故［1］。

近年來，寺河礦通過廣泛調研和積極試驗，不斷摸索總結治理綜采工作面上隅角瓦斯的有效途徑。頂板高位鉆孔瓦斯抽放措施的實施，從根本上解決了綜采工作面上隅角瓦斯問題，為寺河礦建設本質安全型高產高效礦井提供了重要保障［2］。為不斷提高頂板高位鉆孔的抽放效果，進一步驗證高位鉆孔設計的科學性和合理性，寺河礦于2015 年使用澳大利亞VLD-1000 型定向千米鉆機施工頂板高位抽放鉆孔，對鉆孔設計參數進行優化，以期提升瓦斯治理的效果［3］。

1 普通非定向鉆機頂板高位鉆孔的設計與施工

1.1 頂板高位鉆孔設計

以寺河礦5302 綜采工作面為例，頂板高位鉆孔施工地點為53022 巷南幫，使用1 臺MK-6 型鉆機或MK-7 型鉆機配套φ113 或φ153 mm 鉆頭，φ73 mm 或φ89 mm 鉆桿施工。先使用φ94 mm 的鉆頭施工，之后用φ153 mm 的鉆頭擴孔。53022巷6#～19#橫川每個橫川設計5 個鉆孔，間距為10 m，第一個鉆孔距離橫川的西幫（外幫）5.5 m，開孔高度為2.5 m，以上橫川的鉆孔依次往外施工，鉆孔的終孔點距離煤層頂板40 m，鉆孔設計如圖1所示。

1.2 頂板高位鉆孔的施工要求

鉆孔在施工過程中用循環水打鉆，用靜壓水沖孔，若遇到異常情況如噴孔、夾鉆、頂鉆、瓦斯異常等現象應立即停鉆。鉆孔施工先采用φ113 mm 鉆頭施工到位，再用φ193 mm 鉆頭擴孔至終孔位置，施工完畢后采用水泥注漿封孔，封孔管采用6 吋（15.24 cm）鋼管，封孔至矸段。鉆孔封孔長度不得小于16 m，孔口加裝測點、蝶閥，之后用6吋（15.24 cm）鎧裝管連接至φ377 mm 管路的三通上，每個三通連接1 個鉆孔，之后再連接入53022巷φ560 mm 管路，每個鉆孔必須有獨立的濃度測點和控制閥門，每個橫川必須有獨立的抽放參數人工測點，鉆孔管路布置如圖2所示。

2 定向千米鉆機頂板高位鉆孔的設計與施工

在回風巷利用橫川煤柱使用千米定向鉆機向采空區頂板裂隙帶（6～8 倍采高層位）提前施工高位鉆孔［4］，定向高位鉆孔施工長度為400 m，每組鉆孔3～4個鉆孔，鉆孔設計如圖3 所示；終孔位置布置在采面順槽以里20～60 m 范圍，鉆孔剖面如圖4 所示，封孔全部采用大直徑封孔管進行封孔［5］。施工設備如圖5所示。

3 定向千米鉆機在上隅角瓦斯治理中的效果

在采用定向千米鉆機施工頂板高位鉆孔后，5302 工作面采空區抽放量由原來的15 m3/min 增大至30 m3/min，采空區瓦斯抽放量增加100%。而5302 工作面風排瓦斯量由原來的50 m3/min 減少到30 m3/min，風排瓦斯量減少了40%。5302 工作面上隅角瓦斯濃度由0.6%下降至0.36%，下降幅度達40%，瓦斯變化如圖6 所示。由此可知，定向鉆機頂板高位鉆孔從根本上解決了綜采工作面上隅角瓦斯超限集聚的問題［6］。

4 結論

（1）澳大利亞VLD-1000 型定向千米鉆機鉆桿具有通訊功能，利用隨機電腦實時顯示鉆進軌跡，可以利用孔底馬達的拐角來修正鉆進軌跡方向鉆［7］，利用這一功能，現場施工人員能夠將頂板高位鉆孔準確地施工在綜采工作面的頂板裂隙帶內，實測數據顯示，頂板高位鉆孔瓦斯抽采濃度由原來的最低13%提高至最低52%。

（2）由于定向千米鉆機具有鉆機功率大、成孔效率高、鉆進距離長的特點。定向千米鉆機每施工5個300 m頂板高位鉆孔，可以掩護綜采工作面推進200 m；而傳統非定向鉆機每施工5個100 m頂板高位鉆孔只能掩護綜采工作面推進50 m。用定向千米鉆機施工頂板高位鉆孔具有掩護距離長，鉆機搬家次數少的特點。

（3）通過使用定向千米鉆機施工頂板高位鉆孔提高采空區瓦斯抽放效果，降低了綜采工作面回采過程中的風排瓦斯量，把瓦斯氣有效地利用起來，節約了能源，降低了甲烷這種溫室氣體對大氣的污染和破壞，對遏制全球變暖的溫室效應具有積極的意義［8］。