千米定向鉆機在近煤層群首采層瓦斯治理中的應用

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更大的難度[1]。近年來，千米定向鉆機成為了瓦斯治理的研究熱點，通過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

目前國內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瓦斯治理顯得尤為重要。赤峪煤礦主要開采2 號、3 號、4 號煤層，為高瓦斯礦井，瓦斯含量為8.89 m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量達到80.72 m3/min。初步制定回采工作面通過頂板高位走向鉆場或頂板走向鉆場施工長鉆孔，治理鄰近煤層及采空區瓦斯，從而解決上隅角瓦斯濃度偏高問題。

1.2 瓦斯治理方案

赤峪煤礦2 號煤層與其鄰近層的瓦斯含量均較高。2 號煤層作為首采煤層，在工作面開采期間上下鄰近層的瓦斯大量涌入2 號煤層采空區，普通鉆機施工的高位鉆孔存在控制范圍小、層位不準確、抽采效果不穩定等缺點。根據赤峪煤礦開采2 號煤層引起的頂底板巖層移動規律與鄰近層瓦斯運移規律，決定使用ZYL-15000D 型全液壓千米定向鉆機進行瓦斯抽采的研究與應用，該設備被廣泛運用于井下瓦斯鉆孔、探放水鉆孔等鉆探作業的施工，如圖1 所示[2-3]。

圖1 ZYL-15000D 型鉆機實物圖

2 千米定向鉆機瓦斯鉆孔前期準備

2.1 2 號煤層巖性分析

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

結合赤峪煤礦回采工作面瓦斯涌出規律，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瓦斯積聚的問題[4]。

2.2 鉆孔布置

根據以上理論分析及C1204 工作面頂板巖性，1號煤層底板附近存在少量沙質泥巖，施工過程中應盡量避開。為實現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，由風巷依次展開布置8 個鉆孔，平面間距5 m。通過對鉆孔的幫距、高度、瓦斯抽采參數與工作面回采進度對比，C1204 工作面高位定向鉆孔布置示意圖，如下頁圖2 所示。由圖2 可知，走向和傾向變化較大，應依據兩巷標高精確推算每一個定向鉆孔的煤巖走勢，采取精準“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 實施過程效果分析

3.1 單孔效果分析

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

2）2 號鉆孔：回采工作面進入鉆孔控制范圍290 m作用開始顯現，以濃度提升為主。回采工作面進入145 m 范圍，混量開始增大、濃度逐漸下降、純量相對穩定。

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

4）4 號鉆孔：回采工作面進入鉆孔控制范圍354 m作用開始顯現，混量和濃度同時提升走穩。回采工作面進入298 m 范圍，濃度開始下降，此時負壓逐漸下降。

5）5 號鉆孔：混量和濃度始終沒有變化，回采工作面進入鉆孔控制范圍70 m 作用開始顯現，以濃度提升為主，混量變化不大。

6）6 號鉆孔：回采工作面進入鉆孔控制范圍310 m作用開始顯現，混量和濃度同時提升走穩。隨著控制范圍的縮短，負壓逐漸降低，濃度和混量呈逐漸衰減態勢。

7）7 號鉆孔：回采工作面進入鉆孔控制范圍310 m作用開始顯現，混量和濃度同時提升走穩。隨著控制范圍的縮短，負壓降低，造成濃度和混量呈逐漸衰減態勢，純量相對穩定。

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

3.2 控制距離效果對比

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

3.3 抽采效果對比

1）單從混量角度考慮：6 號鉆孔抽采效果最好，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 號鉆孔、3 號鉆孔、4 號鉆孔、8 號鉆孔、2 號鉆孔、1 號鉆孔和5 號鉆孔。

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

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

4）綜合比較：通過對鉆孔的控制范圍及抽采效果綜合比較，得出3 號鉆孔效果最好，其次是7 號鉆孔、8 號鉆孔、6 號鉆孔、4 號鉆孔、2 號鉆孔、1 號鉆孔和5號鉆孔。抽采負壓影響較大，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

自從工作面推采進入定向鉆孔控制范圍后，上隅角和回風隅角瓦斯明顯降低，避免了普通鉆機施工的高位鉆孔層位難以掌握、鉆場接替和聯孔復雜等造成瓦斯抽采不穩定的問題。同比2 號煤層同時推采的兩個工作面，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境下高效回采。工作面回采期間瓦斯參數見表1。

表1 工作面回采期間瓦斯參數變化

4 結論

基于ZYL-15000D 型全液壓千米定向鉆機在赤峪煤礦C1204 工作面的應用效果，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施工的高位鉆孔，不僅提高了鉆孔施工效率和工程質量，采空上隅角瓦斯抽采效果也明顯提升，經濟成本得到了有效節約。

2）基于目前的數據分析來看，鉆孔由以往的斜交鉆孔改為平行鉆孔，精準地將鉆孔布置在目標層位。根據兩巷標高及煤層走勢等情況，精確演算煤層標高，遵循“一字展開W 型”“彈道式打靶”平行布孔，確保鉆孔控制在目標層位。高位定向鉆孔高度布置在2號煤層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）擴大了鉆孔控制范圍、孔徑，提高了鉆孔的抽采效果。