三元煤業高位定向鉆孔在“三帶”空間位置的優化布置與研究

彭建輝

（晉能控股煤業集團三元煤礦，山西 長治 054000）

瓦斯治理一直以來是礦井安全生產建設的重要一環，三元煤業3#煤層整體特質為透氣性低，進而嚴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，對工作面上覆巖層瓦斯抽采進行分析研究，最大限度地降低上隅角瓦斯濃度[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，礦井相對瓦斯涌出量3.07 m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量14.80 m3/min，回采面絕對瓦斯涌出量4.64 m3/min，掘進面絕對瓦斯涌出量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”型通風方式所限，上隅角瓦斯呈紊流狀態，無法及時有效進行排放，進而引起工作面上隅角瓦斯濃度居高不下。

（3）在工作面回風順槽布置定向鉆場，在鉆場內打設高位鉆孔。選取工作面上覆巖層最佳抽采高度和距回風順槽最佳水平距離，最大限度抽采出工作面煤層內瓦斯，將工作面瓦斯濃度降低到最佳回采濃度限度之內，保證工作面安全生產。

2 實驗定向千米鉆孔選型

（1）三元煤礦引進深孔定向千米鉆機，型號為ZDY-6000LD。通過鉆桿上自帶馬達定向驅動裝置及配套電腦測量精準開孔定向技術進行鉆進，克服了鉆孔鉆進距離不精準的問題。

（2）千米定向鉆機鉆進基本原理為：通過開啟高壓水進入鉆桿前端孔內馬達驅動系統，馬達內部驅動系統的轉子在高壓水的強力沖擊作用下開始工作，馬達前端的內部軸承帶動鉆機前端的鉆頭進行旋轉。在定向鉆機鉆進過程中，鉆桿本身不進行旋轉，馬達前端的鉆頭進行旋轉運動，進而降低鉆機的負載程度。馬達驅動系統可精準按照設計要求進行鉆進打孔。

3 定向鉆機鉆孔施工設計

試驗工作面為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，總計設計布置10 個頂板裂隙定向長鉆孔。設計鉆孔長度為375～430 m，垂直煤層頂板，高度平均分布在30～45 m 之間，距離回風順槽水平距離為12～60 m之間。

鉆孔設計參數如圖1 所示。

圖1 4302 工作面頂板定向長鉆孔橫剖面圖

4 定向鉆機施工工藝流程

（1）工序流程：鉆場開掘→鉆孔設計→移機定位→鉆機開孔→組裝鉆具→定向鉆進→成孔驗收→注漿封孔→聯孔抽采→數據采集。

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

（3）鉆孔設計：根據回采工作面回采經驗，取距煤層4～6 倍采高經驗系數為鉆孔設計依據，具體鉆孔設計參數如圖1 所示。

（4）移機定位：按照鉆孔設計的方位角和傾角固定鉆機，鉆機前方距離開孔點煤壁的距離不小于1 m，分上下兩排打設鉆孔，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，成孔退出。為保證瓦斯抽采效果，進行全長段下設鋼篩管，鋼篩管直徑為84 mm，隨后下入Φ108 mmPVC 封孔管進行注漿。

（6）組裝鉆具：首先把馬達、DGS 和隔離鉆桿、CHD 鉆桿按順序組裝，連接處加螺紋緊固劑；然后進入開新孔設置界面，拖出馬達，校對彎頭方向，確認彎頭方向為12 點；最后記錄第一次測量數據。

（7）鉆孔定向鉆進：每6 m 進行一次測量，與定向鉆孔鉆進的軌跡進行對比，根據馬達驅動裝置鉆進偏移情況調整馬達鉆頭鉆進方向。施工至設計深度后進行充分洗孔，洗孔時間不得少于30 min，以見清水為沖洗最終標準。

（8）驗收：定向鉆孔驗收以現場清點鉆桿數量和鉆孔記錄視頻錄像為準。現場驗收后施工單位及時將已打設完成的鉆孔現場驗收表、現場鉆孔鉆進記錄表、鉆孔參數測量數據、鉆孔鉆進軌跡等資料復印件交驗收負責人審核簽字。

（9）注漿封孔：鉆孔采用“兩堵一注”的封孔技術，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 進行封孔。封孔時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）通過持續一個月對工作面定向鉆場的瓦斯抽采鉆孔進行參數測定，從圖2～圖3 可以得出，根據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。通過參數測定可知，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采量始終處于穩定狀態的鉆孔為7#鉆孔和8#鉆孔，其他8 個鉆孔濃度雖然均保持在10%以上，但瓦斯抽采純量表現不佳，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。從當前瓦斯抽采鉆孔參數測定數據可知，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定水平，其他鉆孔均有不同程度的降低甚至無參數。

圖2 1#～5#定向長鉆孔瓦斯濃度及抽采量變化曲線圖

圖3 6#～10#定向長鉆孔瓦斯濃度及抽采量變化曲線圖

（2）瓦斯抽采鉆孔濃度偏低的原因為鉆孔擴孔工程受工期影響，未完成整體全長段擴孔，鉆場接抽至高負壓管路，導致抽采負壓不足，高位定向鉆孔受頂板應力影響內部塌孔較為嚴重。同時，抽采鉆孔導流管內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抽出問題。m3/min 左右。通過上述實驗說明，3#定向千米鉆場的10 個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。隨著老頂的初次垮落，瓦斯抽采鉆孔抽采量大幅度提高。從各個鉆孔抽采量來看，抽采量和瓦斯抽采濃度比較穩定的是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定，而且大部分時間段抽采量非常少，近乎為0。初步判斷有兩個原因：一是鉆孔垮落后裂隙帶區域在此高度形成充分抽采裂隙通道，二是鉆孔內部存在塌孔現象。從當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 為裂隙發育帶。

圖4 4302 工作面7#鉆孔內錯距離設計與實際成孔圖

圖5 4302 工作面7#鉆孔垂高設計與實際成孔圖

圖6 4302 工作面8#鉆孔內錯距離設計與實際成孔圖

圖7 4302 工作面8#鉆孔垂高設計與實際成孔圖

（2）為了探明其他鉆孔抽采流量較低是不是因為受7#鉆孔及8#鉆孔的影響，只打開7#鉆孔及8#鉆孔后，得出結論，在只打開7#鉆孔和8#鉆孔抽采時混合流量在20 m3/min 左右，濃度為35%左右，抽采純量為7 m3/min 左右，而關閉了7#～10#鉆孔，只打開1#～6#鉆孔時，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 結論

（1）通過對三元煤礦3#煤層上覆“三帶”進行研究，發現瓦斯主要涌出通道為上覆巖層垮落后形成的裂隙帶“O”型空間區域，故需從上覆“O”型裂隙帶進行瓦斯抽采，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壓，進而減少向采空區涌出的瓦斯量。通過打設定向鉆孔，將定向鉆孔打設至裂隙帶涌出通道內，進行瓦斯抽采，達到控制回采工作面上隅角瓦斯的目的。

（2）通過以上試驗可知，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”型裂隙帶區域為距煤層頂板垂距35～45 m，距順槽水平距離為50 m，該區域為瓦斯涌出最大通道。通過以上試驗，為三元煤礦后續鉆場抽采奠定了堅實基礎。