定向鉆機采面逆斷層消突鉆孔設計及施工技術研究

劉 浩

（晉能控股集團寺河煤礦， 山西 晉城 048200）

1 采煤工作面瓦斯治理現狀

寺河礦為高瓦斯礦井，其噸煤瓦斯含量東井區為13.76 m3，西井區為21.8 m3，礦西井區絕對瓦斯涌出量為694.5 m3/min，礦西井區相對瓦斯涌出量為101.85 m3/min。在治理瓦斯過程中，寺河礦始終堅持“先抽后采、以風定產、監測監控”的方針，目前寺河礦井下工作面主要采取定向鉆機施工區域遞進式鉆孔預抽瓦斯。但采面中出現斷層區域要進行鉆孔消突，針對于西井區西二盤區W2303 工作面出現的DF9 與FW23032-2 兩條逆斷層，存在以下問題亟待解決：

1）采面逆斷層區域斷層面較大，影響范圍廣，煤體破碎，煤量較多；

2）采面逆斷層區域利用普通鉆機施工消突鉆孔，無法對斷層煤體進行全覆蓋消突，無法保證工作面正常回采需要；

3）普通斷層消突鉆孔設計不能更好地抽采斷層區域上下盤及三角帶位置。

2 定向鉆機采面逆斷層消突鉆孔設計

2.1 研究思路

主要從分析區域遞進式定向鉆孔所在采面逆斷層區域如何消突入手，合理設計定向斷層消突鉆孔施工位置及層位，改進和完善定向鉆孔施工工藝，使用定向鉆機對逆斷層上下盤區域進行消突，提高對采面逆斷層區域的抽采能力，保證工作面回采時瓦斯安全，滿足礦井安全高效回采需要，具體設計思路如圖1 所示。

圖1 定向鉆機采面逆斷層消突思路

2.2 主要研究內容

任務一：采面定向消突鉆孔施工位置設計；采面定向消突鉆孔施工層位設計；采面定向消突鉆孔施工工藝完善和改進。

任務二：取芯實測煤體瓦斯含量，回采過程中實際瓦斯情況驗證。

2.3 考核指標

完成適用于采面逆斷層區域，區域遞進式定向逆斷層消突鉆孔設計技術方案，在指定試驗點進行試驗，計劃完成的技術指標如下：

1）實際取芯測煤體瓦斯含量在8 m3/t 以下；

2）采面回采過程中無瓦斯安全事故發生。

3 主要技術創新

通過在西井區西二盤區W2303 工作面兩側巷道分別利用巖巷、煤巷兩種方案使用定向鉆機進行逆斷層消突鉆孔的施工，使W2303 工作面內的兩條斷層進一步消突抽采，為礦井安全高效回采作出保障，其創新性和先進性主要有以下幾個方面：

1）普通鉆機施工采面逆斷層區域，且普通鉆機因沒有軌跡測量裝置，無法對鉆孔進行精準定位，實際軌跡與設計軌跡偏差較大，無法通過鉆孔準確施工至逆斷層上下盤三角帶位置，起不到消突作用。

2）為了保障鉆孔有效的對采面逆斷層區域進行消突，同時避免與已施工的區域遞進式鉆孔打穿，選擇定向鉆機區域遞進式施工，準確找到斷層三角帶位置進行消突，做到斷層全覆蓋、增加抽采效果[1]。

煤巷施工鉆孔：確定在W23031 巷12 號橫川千米鉆場，設計鉆孔11 個，單孔設計250～280 m，開孔位置距斷層面170 m 左右，穿過斷層面50 m；為保證消突孔抽采效果，同時盡可能避免與巷道掘進過程中鉆孔打穿，造成不返水現象，影響消突效果，每個鉆孔通過定向的特點分為三條分支，上、中、下對煤體進行全覆蓋，尤其是對斷層三角區域進行消突。

巖巷施工鉆孔：確定在W23032 巷巖巷2 號千米鉆場，設計鉆孔11 個，單孔設計280 m，開孔位置距斷層面220 m 左右，單孔分支設計終孔點間距為30 m，控制斷層前后50 m 范圍，單孔交叉進行施工，盡量將分支終孔點間距控制在10 m 以內；每個鉆孔分為四條分支，充分利用定向鉆孔具有軌跡可定位的特點，采用穿層鉆孔抽采的方式對煤體進行全覆蓋，尤其是對斷層三角區域進行消突。

根據定向鉆孔具有軌跡可定位特點，W23032 巷2 號千米鉆場施工的采面定向逆斷層消突鉆孔首次采用了“梳狀”的模式，對斷層區域進行加密覆蓋瓦斯抽采，為有效解決逆斷層區域消突起到關鍵性作用。

3）消突鉆孔施工過程中主要通過穿矸見煤、返水返渣情況來判斷是否施工至斷層三角帶區域，若返水返渣突然變小，穿矸見煤時瓦斯異常，可判定該分支成功與施工至斷層三角帶位置。

定向消突鉆孔首次實現了在原區域遞進式定向鉆孔覆蓋區域內成孔并對已施工采面逆斷層三角帶成功進行了消突，改變了異常煤體區域內瓦斯聚積問題，為逆斷層三角帶區域瓦斯提供了穩定可控的涌出通道，保證了工作面回采過程中的安全生產[2]。

4 技術綜合比較

4.1 普通鉆機施工逆斷層區域技術

使用普通鉆機施工逆斷層區域，可實現順層鉆孔密集覆蓋，對斷層區域進行煤層消突。

4.2 定向鉆機施工逆斷層區域技術

W23032 巷2 號千米鉆場消突鉆孔巖巷施工實現穿層鉆孔梳狀覆蓋，對斷層區域進行煤層消突；

W23031 巷12 號千米鉆場消突鉆孔煤巷施工實現定鉆孔上中下全覆蓋，對斷層區域進行煤層消突。

4.3 技術研究對比

1）使用普通鉆機施工操作方便，鉆機設備移動簡單，可做到多臺施工，耗時短；但無法做到煤層全覆蓋，鉆孔成孔率低，無法準確施工逆斷層上下盤區域，消突效果差。

2）使用定向鉆機施工，施工地點固定，無法同時施工，耗時較長；但鉆孔成孔率高，可以對煤層進行全覆蓋，可以準確利用定向特點對逆斷層區域位置，消突效果較好。

4.4 打鉆費用

4.4.1 普通鉆孔

使用普通鉆孔進行消突共需施工187 200 m 進尺，共需花費1 496.851 2 萬元。

消耗費用統計：按照統計計算得出的國產鉆機穿層鉆孔單價為108.97 元/m（人工費、折舊費、大修費、中小修費用、電、水、壓風費用、管理費），下表1為普通鉆孔每米打鉆費用表。

表1 普通鉆孔每米打鉆費用表 元

4.4.2 定向鉆孔

使用定向鉆孔進行消突共需施工19 780 m 進尺，共需花費490.860 5 萬元。

消耗費用統計：按照統計計算得出的國產鉆機穿層鉆孔單價為248.16 元/m（人工費、折舊費、大修費、中小修費用、電、水、壓風費用、管理費）下表2 使用定向鉆機每米打鉆費用表。

表2 定向鉆機每米打鉆費用表 元

4.4.3 費用比較

使用千米鉆機施工要比普通鉆機施工進尺節省167 420 m 進尺，定向鉆機施工比普通鉆機施工費用要節省1 005.990 7 萬元。

5 推廣應用情況及效益

W23032 巷2 號千米鉆場消突鉆孔的成功施工，有效地解決了逆斷層區域的消突情況，保障了W2303 工作面回采過程的安全高效生產, 為礦井抽采及生產銜接作出了巨大貢獻。

本消突鉆孔設計和施工技術方案研究，為其他采面逆斷層區域，普通鉆孔無法進行全斷面消突，無法滿足抽采、生產銜接需要提供了安全生產保障[3]。

對2 個鉆場現場試驗，共完成逆斷層區域定向消突鉆孔22 個，總進尺19 780 m，鉆孔孔徑為Φ105 mm，平均機械鉆速32.5m/h，最大單班進尺96m。實現了采用常規鉆進裝備進行定向鉆孔施工，對促進煤礦高效生產、進一步推動礦井安全技術進步具有實際意義。