三元煤業(yè)高位定向鉆孔在“三帶”空間位置的優(yōu)化布置與研究

彭建輝

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元煤礦，山西 長治 054000）

瓦斯治理一直以來是礦井安全生產(chǎn)建設(shè)的重要一環(huán)，三元煤業(yè)3#煤層整體特質(zhì)為透氣性低，進(jìn)而嚴(yán)重制約了瓦斯抽采濃度和抽采量，這些不利條件遏制了瓦斯的抽采工作。為提高瓦斯抽采效率，對(duì)工作面上覆巖層瓦斯抽采進(jìn)行分析研究，最大限度地降低上隅角瓦斯?jié)舛萚1-8]。

1 工作面概況

（1）4302 回采工作面采用放頂煤開采方式，可采長度1001 m，切眼長度220 m，平均煤厚為7 m，采3 m 煤層，放4 m 頂煤。2012 年該礦鑒定為高瓦斯礦井，礦井相對(duì)瓦斯涌出量3.07 m3/t，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量14.80 m3/min，回采面絕對(duì)瓦斯涌出量4.64 m3/min，掘進(jìn)面絕對(duì)瓦斯涌出量4.16 m3/min。最大瓦斯含量7.37 m3/t。

（2）4302 工作面回采期間主要瓦斯涌出來源為落煤瓦斯涌出，受“U”型通風(fēng)方式所限，上隅角瓦斯呈紊流狀態(tài)，無法及時(shí)有效進(jìn)行排放，進(jìn)而引起工作面上隅角瓦斯?jié)舛染痈卟幌隆?/p>

（3）在工作面回風(fēng)順槽布置定向鉆場，在鉆場內(nèi)打設(shè)高位鉆孔。選取工作面上覆巖層最佳抽采高度和距回風(fēng)順槽最佳水平距離，最大限度抽采出工作面煤層內(nèi)瓦斯，將工作面瓦斯?jié)舛冉档偷阶罴鸦夭蓾舛认薅戎畠?nèi)，保證工作面安全生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)定向千米鉆孔選型

（1）三元煤礦引進(jìn)深孔定向千米鉆機(jī)，型號(hào)為ZDY-6000LD。通過鉆桿上自帶馬達(dá)定向驅(qū)動(dòng)裝置及配套電腦測量精準(zhǔn)開孔定向技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)，克服了鉆孔鉆進(jìn)距離不精準(zhǔn)的問題。

（2）千米定向鉆機(jī)鉆進(jìn)基本原理為：通過開啟高壓水進(jìn)入鉆桿前端孔內(nèi)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，馬達(dá)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子在高壓水的強(qiáng)力沖擊作用下開始工作，馬達(dá)前端的內(nèi)部軸承帶動(dòng)鉆機(jī)前端的鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在定向鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，鉆桿本身不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)前端的鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而降低鉆機(jī)的負(fù)載程度。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可精準(zhǔn)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆進(jìn)打孔。

3 定向鉆機(jī)鉆孔施工設(shè)計(jì)

試驗(yàn)工作面為4302 工作面3#定向鉆場，定向鉆場距離4302 工作面切眼400 m 位置處，總計(jì)設(shè)計(jì)布置10 個(gè)頂板裂隙定向長鉆孔。設(shè)計(jì)鉆孔長度為375～430 m，垂直煤層頂板，高度平均分布在30～45 m 之間，距離回風(fēng)順槽水平距離為12～60 m之間。

鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1 所示。

圖1 4302 工作面頂板定向長鉆孔橫剖面圖

4 定向鉆機(jī)施工工藝流程

（1）工序流程：鉆場開掘→鉆孔設(shè)計(jì)→移機(jī)定位→鉆機(jī)開孔→組裝鉆具→定向鉆進(jìn)→成孔驗(yàn)收→注漿封孔→聯(lián)孔抽采→數(shù)據(jù)采集。

（2）鉆場開掘：按照設(shè)計(jì)要求先行在回風(fēng)順槽距切眼400 m 處位置開掘鉆場，長度10 m、深度6 m 鉆場一個(gè)。

（3）鉆孔設(shè)計(jì)：根據(jù)回采工作面回采經(jīng)驗(yàn)，取距煤層4～6 倍采高經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)，具體鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1 所示。

（4）移機(jī)定位：按照鉆孔設(shè)計(jì)的方位角和傾角固定鉆機(jī)，鉆機(jī)前方距離開孔點(diǎn)煤壁的距離不小于1 m，分上下兩排打設(shè)鉆孔，下排鉆孔開孔高度為2.5 m，上排鉆孔開孔高度為3.0 m。

（5）鉆機(jī)開孔：定向鉆孔采用Φ153 mm 鉆頭配套螺桿鉆具直接開孔后定向鉆進(jìn)，成孔退出。為保證瓦斯抽采效果，進(jìn)行全長段下設(shè)鋼篩管，鋼篩管直徑為84 mm，隨后下入Φ108 mmPVC 封孔管進(jìn)行注漿。

（6）組裝鉆具：首先把馬達(dá)、DGS 和隔離鉆桿、CHD 鉆桿按順序組裝，連接處加螺紋緊固劑；然后進(jìn)入開新孔設(shè)置界面，拖出馬達(dá)，校對(duì)彎頭方向，確認(rèn)彎頭方向?yàn)?2 點(diǎn)；最后記錄第一次測量數(shù)據(jù)。

（7）鉆孔定向鉆進(jìn)：每6 m 進(jìn)行一次測量，與定向鉆孔鉆進(jìn)的軌跡進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置鉆進(jìn)偏移情況調(diào)整馬達(dá)鉆頭鉆進(jìn)方向。施工至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行充分洗孔，洗孔時(shí)間不得少于30 min，以見清水為沖洗最終標(biāo)準(zhǔn)。

（8）驗(yàn)收：定向鉆孔驗(yàn)收以現(xiàn)場清點(diǎn)鉆桿數(shù)量和鉆孔記錄視頻錄像為準(zhǔn)。現(xiàn)場驗(yàn)收后施工單位及時(shí)將已打設(shè)完成的鉆孔現(xiàn)場驗(yàn)收表、現(xiàn)場鉆孔鉆進(jìn)記錄表、鉆孔參數(shù)測量數(shù)據(jù)、鉆孔鉆進(jìn)軌跡等資料復(fù)印件交驗(yàn)收負(fù)責(zé)人審核簽字。

（9）注漿封孔：鉆孔采用“兩堵一注”的封孔技術(shù)，鉆孔封孔壓力不得小于1.0 MPa，注漿料10 袋，一袋注漿料重25 kg，封孔長度30 m，鉆孔采用Φ108 mmPVC 進(jìn)行封孔。封孔時(shí)注漿管及排氣管選用Φ16 mm 的鋁塑管。

5 定向鉆孔抽采效果圖

（1）通過持續(xù)一個(gè)月對(duì)工作面定向鉆場的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行參數(shù)測定，從圖2～圖3 可以得出，根據(jù)工作面推算頂板初采垮落步距為40 m，在老頂垮落之前4#、5#、6#、7#瓦斯抽采濃度始終保持在40%以上，當(dāng)頂板全部跨落后，3#、4#、9#瓦斯抽采鉆孔濃度有所回落。通過參數(shù)測定可知，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采量始終處于穩(wěn)定狀態(tài)的鉆孔為7#鉆孔和8#鉆孔，其他8 個(gè)鉆孔濃度雖然均保持在10%以上，但瓦斯抽采純量表現(xiàn)不佳，1#、2#、9#、10#鉆孔沒有流量，3#、4#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采混量始終保持在0.002～0.006 m3/min 之間。從當(dāng)前瓦斯抽采鉆孔參數(shù)測定數(shù)據(jù)可知，7#和8#瓦斯抽采鉆孔在頂板初次垮落后，瓦斯抽采純量和瓦斯抽采濃度處于穩(wěn)定水平，其他鉆孔均有不同程度的降低甚至無參數(shù)。

圖2 1#～5#定向長鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪孔兓€圖

圖3 6#～10#定向長鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪孔兓€圖

（2）瓦斯抽采鉆孔濃度偏低的原因?yàn)殂@孔擴(kuò)孔工程受工期影響，未完成整體全長段擴(kuò)孔，鉆場接抽至高負(fù)壓管路，導(dǎo)致抽采負(fù)壓不足，高位定向鉆孔受頂板應(yīng)力影響內(nèi)部塌孔較為嚴(yán)重。同時(shí)，抽采鉆孔導(dǎo)流管內(nèi)均存在不同程度的煤渣堵孔口的問題、封孔器孔口不同程度存在積水未及時(shí)抽出問題。m3/min 左右。通過上述實(shí)驗(yàn)說明，3#定向千米鉆場的10 個(gè)頂板裂隙定向鉆孔中抽采效果最好的為7#及8#鉆孔，而1#～4#鉆孔由于孔徑為98 mm 可能存在塌孔堵塞情況，9#及10#鉆孔層位較高，導(dǎo)致頂板定向長鉆孔整體抽采效果不佳，無法起到控制上隅角的作用。

6 4302 工作面3#定向鉆場7#和8#鉆孔軌跡圖

（1）從圖4～圖7 可以看出，在老頂垮落之前，頂板定向鉆孔雖然有抽采濃度但是瓦斯抽采量很小，瓦斯抽采濃度在老頂未垮落之前始終保持在40%～60%之間，單孔瓦斯抽采鉆孔混量較小，始終保持在0.002～0.006 m3/min 之間。當(dāng)回采工作面回采至距切眼40 m 位置后，老頂開始初次垮落，老頂來壓顯現(xiàn)。隨著老頂?shù)某醮慰迓洌咚钩椴摄@孔抽采量大幅度提高。從各個(gè)鉆孔抽采量來看，抽采量和瓦斯抽采濃度比較穩(wěn)定的是7#鉆孔及8#鉆孔，單孔抽采純量在1.5～2.5 m3/min 之間，瓦斯抽采濃度保持在30%～45%之間。其他鉆孔的抽采量極不穩(wěn)定，而且大部分時(shí)間段抽采量非常少，近乎為0。初步判斷有兩個(gè)原因：一是鉆孔垮落后裂隙帶區(qū)域在此高度形成充分抽采裂隙通道，二是鉆孔內(nèi)部存在塌孔現(xiàn)象。從當(dāng)前的抽采效果可以看出，7#孔主孔高度為35 m，8#鉆孔主孔為45 m，初步可確定距頂板上35～45 m 為裂隙發(fā)育帶。

圖4 4302 工作面7#鉆孔內(nèi)錯(cuò)距離設(shè)計(jì)與實(shí)際成孔圖

圖5 4302 工作面7#鉆孔垂高設(shè)計(jì)與實(shí)際成孔圖

圖6 4302 工作面8#鉆孔內(nèi)錯(cuò)距離設(shè)計(jì)與實(shí)際成孔圖

圖7 4302 工作面8#鉆孔垂高設(shè)計(jì)與實(shí)際成孔圖

（2）為了探明其他鉆孔抽采流量較低是不是因?yàn)槭?#鉆孔及8#鉆孔的影響，只打開7#鉆孔及8#鉆孔后，得出結(jié)論，在只打開7#鉆孔和8#鉆孔抽采時(shí)混合流量在20 m3/min 左右，濃度為35%左右，抽采純量為7 m3/min 左右，而關(guān)閉了7#～10#鉆孔，只打開1#～6#鉆孔時(shí)，總瓦斯抽采混量僅為5.5 m3/min 左右，濃度為45%左右，瓦斯抽采純量在2.5

7 結(jié)論

（1）通過對(duì)三元煤礦3#煤層上覆“三帶”進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)瓦斯主要涌出通道為上覆巖層垮落后形成的裂隙帶“O”型空間區(qū)域，故需從上覆“O”型裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽采，方可解決工作面上隅角瓦斯涌出問題。上隅角瓦斯通過上覆巖層抽采通道形成抽采負(fù)壓，進(jìn)而減少向采空區(qū)涌出的瓦斯量。通過打設(shè)定向鉆孔，將定向鉆孔打設(shè)至裂隙帶涌出通道內(nèi)，進(jìn)行瓦斯抽采，達(dá)到控制回采工作面上隅角瓦斯的目的。

（2）通過以上試驗(yàn)可知，3#定向鉆場中抽采效果較好的為7#和8#定向鉆孔，7#孔主孔距煤層頂板高度為35 m，距順槽水平距離為50 m；8#鉆孔主孔距煤層頂板高度為45 m，距順槽水平距離為50 m。因此可知，三元煤礦4302 工作面最佳瓦斯抽采“O”型裂隙帶區(qū)域?yàn)榫嗝簩禹敯宕咕?5～45 m，距順槽水平距離為50 m，該區(qū)域?yàn)橥咚褂砍鲎畲笸ǖ馈Ｍㄟ^以上試驗(yàn)，為三元煤礦后續(xù)鉆場抽采奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。