千米定向鉆機(jī)在近煤層群首采層瓦斯治理中的應(yīng)用

徐 濤

（山西金地煤焦有限公司赤峪煤礦， 山西 文水 032100）

引言

隨著煤礦開(kāi)采深度不斷的延伸，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力以及瓦斯涌出量不斷增加，給礦井瓦斯治理帶來(lái)更大的難度[1]。近年來(lái)，千米定向鉆機(jī)成為了瓦斯治理的研究熱點(diǎn)，通過(guò)鉆孔在回采工作面中的合理布置，有效提升了瓦斯抽采效率，并減少了瓦斯排放到空氣中的體量。

1 赤峪煤礦工程背景

1.1 瓦斯治理背景

目前國(guó)內(nèi)近距離多煤層高瓦斯礦井，高位抽采量占比至少在工作總涌出量的1/3 以上，所以高位的抽采效果對(duì)瓦斯治理顯得尤為重要。赤峪煤礦主要開(kāi)采2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)煤層，為高瓦斯礦井，瓦斯含量為8.89 m3/t，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)到80.72 m3/min。初步制定回采工作面通過(guò)頂板高位走向鉆場(chǎng)或頂板走向鉆場(chǎng)施工長(zhǎng)鉆孔，治理鄰近煤層及采空區(qū)瓦斯，從而解決上隅角瓦斯?jié)舛绕邌?wèn)題。

1.2 瓦斯治理方案

赤峪煤礦2 號(hào)煤層與其鄰近層的瓦斯含量均較高。2 號(hào)煤層作為首采煤層，在工作面開(kāi)采期間上下鄰近層的瓦斯大量涌入2 號(hào)煤層采空區(qū)，普通鉆機(jī)施工的高位鉆孔存在控制范圍小、層位不準(zhǔn)確、抽采效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。根據(jù)赤峪煤礦開(kāi)采2 號(hào)煤層引起的頂?shù)装鍘r層移動(dòng)規(guī)律與鄰近層瓦斯運(yùn)移規(guī)律，決定使用ZYL-15000D 型全液壓千米定向鉆機(jī)進(jìn)行瓦斯抽采的研究與應(yīng)用，該設(shè)備被廣泛運(yùn)用于井下瓦斯鉆孔、探放水鉆孔等鉆探作業(yè)的施工，如圖1 所示[2-3]。

圖1 ZYL-15000D 型鉆機(jī)實(shí)物圖

2 千米定向鉆機(jī)瓦斯鉆孔前期準(zhǔn)備

2.1 2 號(hào)煤層巖性分析

赤峪煤礦目前開(kāi)采的C1204 工作面位于中央一采區(qū)北翼中部，開(kāi)采煤層為2 號(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng)度1 232 m，傾斜長(zhǎng)度155 m，厚度1.3～1.7 m，平均煤厚1.6 m。2 號(hào)煤層直接頂為1～9 m 的炭質(zhì)泥巖和淺灰色中砂巖，中厚層狀，局部為粗砂巖大型交錯(cuò)層理為主。老頂為中砂巖，厚度0～20 m，細(xì)砂巖，淺灰色白色，中厚層狀。2 號(hào)煤層頂板上距1 號(hào)煤層15 m 左右，隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板垮落，1 號(hào)煤層瓦斯將通過(guò)裂隙涌入采空區(qū)內(nèi)。另外2 號(hào)煤層底板下距2 號(hào)下煤層（2 號(hào)下煤層厚度0～0.5 m）2～3.5 m，下距3 號(hào)煤層（3 號(hào)煤層厚1.65 m 左右）7 m 左右，下距4 號(hào)煤層（4 號(hào)煤層厚3.5 m 左右）14 m 左右。由于下覆煤層距2 號(hào)煤層距離較近，工作面回采過(guò)后，在地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下，采空區(qū)底板將產(chǎn)生大量的裂隙，2 號(hào)下、3 號(hào)、4 號(hào)煤層大量瓦斯將通過(guò)裂隙涌入采空區(qū)內(nèi)。加之工作面采用U 型通風(fēng)方式，上隅角瓦斯易積聚，存在上隅角瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合赤峪煤礦回采工作面瓦斯涌出規(guī)律，將高位定向鉆孔精確布置在裂隙帶，解決回采工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯積聚的問(wèn)題[4]。

2.2 鉆孔布置

根據(jù)以上理論分析及C1204 工作面頂板巖性，1號(hào)煤層底板附近存在少量沙質(zhì)泥巖，施工過(guò)程中應(yīng)盡量避開(kāi)。為實(shí)現(xiàn)高位定向鉆孔抽采高濃度、大流量瓦斯，所以確定向鉆孔布置在煤層頂板以上8～15 m，幫距10～45 m，由風(fēng)巷依次展開(kāi)布置8 個(gè)鉆孔，平面間距5 m。通過(guò)對(duì)鉆孔的幫距、高度、瓦斯抽采參數(shù)與工作面回采進(jìn)度對(duì)比，C1204 工作面高位定向鉆孔布置示意圖，如下頁(yè)圖2 所示。由圖2 可知，走向和傾向變化較大，應(yīng)依據(jù)兩巷標(biāo)高精確推算每一個(gè)定向鉆孔的煤巖走勢(shì)，采取精準(zhǔn)“彈道式”布孔。

圖2 C1204 工作面高位定向鉆孔終孔傾向示意圖（單位：mm）

3 實(shí)施過(guò)程效果分析

3.1 單孔效果分析

1）1 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍230 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，以濃度提升為主。回采工作面進(jìn)入120 m 范圍，混量開(kāi)始增大、濃度逐漸下降、純量維持在1 m3/min 左右。

2）2 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍290 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，以濃度提升為主。回采工作面進(jìn)入145 m 范圍，混量開(kāi)始增大、濃度逐漸下降、純量相對(duì)穩(wěn)定。

3）3 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍371 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，以濃度提升為主。回采工作面進(jìn)入320 m 范圍，混量開(kāi)始增大、濃度恒定無(wú)明顯變化、純量維持在2.93 m3/min 左右。

4）4 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍354 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，混量和濃度同時(shí)提升走穩(wěn)。回采工作面進(jìn)入298 m 范圍，濃度開(kāi)始下降，此時(shí)負(fù)壓逐漸下降。

5）5 號(hào)鉆孔：混量和濃度始終沒(méi)有變化，回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍70 m 作用開(kāi)始顯現(xiàn)，以濃度提升為主，混量變化不大。

6）6 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍310 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，混量和濃度同時(shí)提升走穩(wěn)。隨著控制范圍的縮短，負(fù)壓逐漸降低，濃度和混量呈逐漸衰減態(tài)勢(shì)。

7）7 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍310 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，混量和濃度同時(shí)提升走穩(wěn)。隨著控制范圍的縮短，負(fù)壓降低，造成濃度和混量呈逐漸衰減態(tài)勢(shì)，純量相對(duì)穩(wěn)定。

8）8 號(hào)鉆孔：回采工作面進(jìn)入鉆孔控制范圍310 m作用開(kāi)始顯現(xiàn)，以濃度提升為主。回采工作面進(jìn)入270 m范圍，混量開(kāi)始增大，并維持在10.00 m3/min 左右。

3.2 控制距離效果對(duì)比

從鉆孔控制距離范圍考慮，3 號(hào)鉆孔起作用最早，371 m 開(kāi)始有效，其次是4 號(hào)鉆孔、6 號(hào)鉆孔、7 號(hào)鉆孔、8 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔、1 號(hào)鉆孔和5 號(hào)鉆孔。

3.3 抽采效果對(duì)比

1）單從混量角度考慮：6 號(hào)鉆孔抽采效果最好，平均值15.54 m3/min、最大值21.75 m3/min，其他鉆孔抽采效果依次是7 號(hào)鉆孔、3 號(hào)鉆孔、4 號(hào)鉆孔、8 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔、1 號(hào)鉆孔和5 號(hào)鉆孔。

2）單從濃度角度考慮：8 號(hào)鉆孔抽采效果最好，平均值32.05%、最大值79.00%，其次是7 號(hào)鉆孔、3 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔、6 號(hào)鉆孔、1 號(hào)鉆孔、4 號(hào)鉆孔和5 號(hào)鉆孔。

3）單從純量角度考慮：3 號(hào)鉆孔抽采效果最好，平均值2.93 m3/min、最大值6.97 m3/min，其次是7 號(hào)鉆孔、8 號(hào)鉆孔、6 號(hào)鉆孔、4 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔、1 號(hào)鉆孔和5 號(hào)鉆孔。

4）綜合比較：通過(guò)對(duì)鉆孔的控制范圍及抽采效果綜合比較，得出3 號(hào)鉆孔效果最好，其次是7 號(hào)鉆孔、8 號(hào)鉆孔、6 號(hào)鉆孔、4 號(hào)鉆孔、2 號(hào)鉆孔、1 號(hào)鉆孔和5號(hào)鉆孔。抽采負(fù)壓影響較大，用量隨著鉆孔控制范圍減少而降低，平均在10.69～14.60 kPa。

3.4 回采工作面效果

自從工作面推采進(jìn)入定向鉆孔控制范圍后，上隅角和回風(fēng)隅角瓦斯明顯降低，避免了普通鉆機(jī)施工的高位鉆孔層位難以掌握、鉆場(chǎng)接替和聯(lián)孔復(fù)雜等造成瓦斯抽采不穩(wěn)定的問(wèn)題。同比2 號(hào)煤層同時(shí)推采的兩個(gè)工作面，N1201 工作面采用普通高位鉆孔、C1204工作面采用定向高位鉆孔，C1204 工作面明顯提高了瓦斯抽采效果，保障工作面在安全的環(huán)境下高效回采。工作面回采期間瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面回采期間瓦斯參數(shù)變化

4 結(jié)論

基于ZYL-15000D 型全液壓千米定向鉆機(jī)在赤峪煤礦C1204 工作面的應(yīng)用效果，分析得出：

1）回采工作面高位定向鉆孔可以取代以往普通鉆機(jī)施工的高位鉆孔，不僅提高了鉆孔施工效率和工程質(zhì)量，采空上隅角瓦斯抽采效果也明顯提升，經(jīng)濟(jì)成本得到了有效節(jié)約。

2）基于目前的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，鉆孔由以往的斜交鉆孔改為平行鉆孔，精準(zhǔn)地將鉆孔布置在目標(biāo)層位。根據(jù)兩巷標(biāo)高及煤層走勢(shì)等情況，精確演算煤層標(biāo)高，遵循“一字展開(kāi)W 型”“彈道式打靶”平行布孔，確保鉆孔控制在目標(biāo)層位。高位定向鉆孔高度布置在2號(hào)煤層6～8 倍的采高（初步判斷11～13 m）、平面布置在幫距20～45 m 范圍。

3）擴(kuò)大了鉆孔控制范圍、孔徑，提高了鉆孔的抽采效果。