千米鉆孔煤層預抽在高突礦井掘進中的應用研究

劉 凱

（晉能控股煤業集團坪上煤業有限公司， 山西 晉城 048006）

引言

千米鉆孔預抽是預防煤與瓦斯突出而進行的一種區域性瓦斯抽采方法，此種瓦斯治理方法相對比地面鉆井抽采、保護層開采而言，具有施工方便、成本低和抽采效率高等優點，已于2019 年新頒發的《防治煤與瓦斯突出細則》第64 條中予以明確，也是被高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井應用最為廣泛的瓦斯治理技術[1-3]。李宏和韓兵[4-5]針對成莊煤礦瓦斯壓力大、含量高的難題，采用定向長鉆孔的區域瓦斯治理方法進行了針對性研究，提出了定向長鉆孔的最優布孔方式，考察了其區域預抽的抽采規律；楊曉紅等[6]對千米定向鉆孔在山西焦煤集團的應用效果進行了整體分析，并對定向鉆孔在地質條件復雜及煤層松軟條件的施工方法進行了研究；任東海[7]針對千米鉆孔在寺河煤礦的高效及廣泛應用實際，對千米鉆孔的有效抽采半徑進行了研究，為定向鉆孔的合理布置提供了參考。但先前學者的研究普遍是針對千米鉆孔的區域性采面預抽進行的研究，針對掘進工作面的千米鉆孔抽采應用研究較少。為此，本文針對坪上煤業的千米鉆孔在掘進工作面的抽采現狀進行了研究，以期為其他有類似抽采方式的礦井提供參考和依據。

1 研究區域情況

1.1 礦井概況

坪上煤業設計年生產能力為90 萬t。礦井采用“三進一回”通風系統，其中主斜井、行人斜井、進風斜井為進風井，回風立井擔任回風任務，回風立井安裝兩臺AGF606-2.82-1.58-2 型主扇。礦井現建有兩套地面永久抽采系統，一套為2BEC72 抽放系統（三用三備），現抽采濃度為50%，抽采純量為247 m3/min，抽采負壓為38 kPa，日抽放量為35 萬m3，滿足礦井現階段抽放需求；一套為CBF410 抽采系統，目前停運。根據2010 年河南理工大學編制的《坪上煤業3 號煤層突出危險性評估報告》中礦井瓦斯基礎參數可知（見表1），煤層具有突出危險性，礦井按突出礦井進行管理。

表1 坪上煤業瓦斯基礎參數表

1.2 實施背景

礦井為煤與瓦斯突出礦井，井下工作面順槽巷道采用雙巷掘進通風方式，每50 m 貫通一聯絡橫川，掘進工藝采用EBJ-120 型進行作業，采用錨噴支護。巷道掘進主要通過在巷道正前及橫川之間施工條帶式密集鉆孔加順層遞進鉆孔進行本煤層預抽后開始掘進，保證礦井銜接要求。現礦井順槽巷道主要利用西安煤科院生產的ZDY-1900S 和ZDY-3200型鉆機施工，鉆孔布置方式為正前2 個/m2，橫川1個/m2（如圖1 所示），鉆孔施工受地質條件影響，施工長度在120～200 m 范圍，施工時間為1 個月，抽放時間約為2 個月，單輪掘進水平保持在100～150 m左右，因掘進過程中割出抽放鉆孔引起瓦斯超限，給安全生產帶來極大隱患。

圖1 普通鉆機預抽示意圖

隨著礦井生產能力不斷提高，現有抽掘模式已不能正常滿足礦井抽掘采銜接需求。針對此現狀，坪上煤業借鑒千米鉆機在實施模塊抽放取得良好效果的基礎上，嘗試在13012/13014 區域利用千米鉆機進行本煤層預抽，通過實施大孔徑、長鉆孔來提高本煤層抽放效果，提高礦井單進水平，保證礦井正常銜接秩序。

2 千米鉆機基本情況

2.1 基本參數

千米鉆機（VLD-1000 型）由澳大利亞威力朗沃公司生產，長4 m，寬2.1 m，高1.66 m，鉆機總質量為12.5 t，鉆機為履帶式行走鉆機，行走速度為3.4 km/h，配套鉆桿單根長度3 m，外徑69.9 mm，配套電機90 kW，電壓等級660～1140 V。千米鉆機的鉆進導向系統裝置（DGS）的長度2.7 m，外徑70 mm，質量為52 kg，內部電池電壓為15 V，可用8～10 周，方位角精度為±0.5°，傾角精度為±0.2°。

2.2 施工原理

千米鉆機施工主要是利用DGS 作為導向系統，在孔底返回的信號實時監測鉆頭所在的位置，通過人工操作手柄來調整彎頭方向。在打鉆過程中，鉆頭動而鉆桿不動，主要是靠水泵的壓力帶動鉆桿前方裝在鉆頭后面的馬達轉動，在鉆孔內部根據煤層變化情況順著煤層打，鉆機的設計能力為直孔1000m，可以在一個孔內上下左右打多個分支，累計單孔深度可達2000 m 以上，孔內馬達驅動裝置示意圖見圖2。

圖2 孔內馬達驅動裝置示意圖

2.3 優缺點分析

2.3.1 優點

千米鉆機施工鉆采用先封后打工藝，杜絕了打鉆過程中因瓦斯噴出造成瓦斯超限的事故。千米鉆機施工可以準確掌握鉆孔軌跡保證鉆孔質量，對煤層進行探頂探底，根據涌水和排渣情況分析是否存在地質構造等情況，提前掌握現場情況，為生產期間采取措施提供依據。千米鉆機施工鉆孔距離長、覆蓋面積大、抽采濃度高且衰減速度較慢，可以有效降低煤層瓦斯含量和壓力，提升礦井抽采率。

2.3.2 缺點

VLD-1000 型定向千米鉆機設備購置昂貴，維護費用高，配件購買周期長，應規范千米鉆機的使用，減少不正規操作對設備的損壞，提前考慮對常用配件的購買。在千米鉆機施工過程中，由于煤體軟硬分布不均，地質構造（斷層、沖刷、陷落柱）的影響經常造成壓鉆桿、掉桿等現象，導致鉆機無法施工。不宜在軟煤層中施工。

3 掘進區域施工及效果分析

3.1 基本情況及鉆孔設計

13012/13014 區域煤層厚度為5.04～7.16 m，平均6.1 m，純煤厚度4.81～6.98 m；含炭質泥巖和泥巖夾石0～5 層，厚0～1.25 m。掘進巷道高2.75 m，寬4.2 m，斷面11.55 m2，設計長度800 m，原始煤體瓦斯含量為20 m3/t，截止2011 年2 月底已施工至四橫川，形成全風壓通風系統。

13012/13014 區域共設計8 個千米鉆孔，設計鉆孔深度為600 m 其中，13012 正前及13014 正前各設計4 個鉆孔，鉆孔設計具體參數如下頁表2 所示。抽放管路敷設從東二回1m 主管出一便頭，順13012巷敷設一趟Φ355 mmPE 管延伸至13014 巷正前、13014 與13012 四橫川及13012 巷正前，并和13014巷的Φ355 mm 抽放管溝通。巷道正前安裝負壓表及集中式放水器，并留有測量點，可測量到此區域鉆孔的瓦斯濃度、流量等相關參數；鉆孔施工使用水泥進行先封后打，封孔長度為8 m 鉆孔。

3.2 千米鉆孔施工情況

13012/13014 區域四橫川千米鉆孔在實際施工過程中，根據現場條件及瓦斯賦存情況實際施工20個鉆孔（其中報廢一個孔），累計抽采進尺18129 m，平均鉆孔長度954.2 m，主孔平均深度達584.8 m。其中13014 巷三橫川東幫施工6 號鉆孔時由于地質條件影響導致6 號鉆孔報廢；在13012 巷正前施工3 號孔時，返水中帶有少量黃沙，鉆孔施工完畢后，在抽放期間涌水量較大。鉆孔竣工具體參數見下頁表2，竣工圖如圖3 所示，鉆孔軌跡如圖4 和下頁圖5所示。

圖3 千米鉆孔竣工示意圖

圖4 完孔垂直面軌跡圖

圖5 完孔水平面軌跡圖

3.3 效果分析

13012/13014 巷掘進工作面鉆孔施工完成后，從2011 年3 月28 日/2011 年4 月13 日開始預抽，到2011 年7 月7 日/2011 年7 月21 日結束，累計抽放119 d/105 d，平均主孔鉆孔進尺為584 m/585.5 m，累計抽放瓦斯量725 萬m3，平均抽放瓦斯量為43.4 m3/min，區域最大百米流量為0.37 m3/min.hm。

掘進前對工作面進行殘余瓦斯含量檢測為7.4891 m3/t，瓦斯壓力為0.4323 kPa，測得鉆屑瓦斯解吸指標K1值最大為0.26 mL/（min1/2·g），鉆屑量S值最大為2.5 kg/m，均不超臨界指標，符合《防突規定》各項指標要求。13012 巷和13014 巷分別于2011 年7 月22 日/2011 年8 月10 日開始掘進，工作面均選用功率為2×55 kW 風機，掘進過程中嚴格執行兩個“四位一體”防突措施及效果檢驗，于10 月24 日掘進到位。在3 個月內實現雙巷連續掘進1020 m，大大提高了單輪掘進水平。在掘進至200 m 時，13012/13014 區域回風瓦斯濃度最大0.25%，瓦斯涌出量為1.8 m3/min。整個掘進過程，未發生一起瓦斯超限事故。具體參數見表2。

表2 13012/13014 巷千米鉆孔瓦斯參數測量記錄

4 結論

利用普通鉆機在掘進區域實施預抽效果差，不能掌握鉆孔鉆進方向，鉆孔質量無法保障，每輪掘進100～150 m。但千米鉆機施工的定向鉆孔與之相比，有較大的優越性，主要體現在：

1）利用千米鉆機施工長距離定向抽放鉆孔對掘進區域進行預抽，能夠有效降低煤層瓦斯含量和壓力，消除工作面突出危險性，每輪掘進500～600 m，比傳統掘進模式單進水平提高4～5 倍。

2）經過實施“大孔徑、長鉆孔”預抽后，掘進工作面實現了消除突出危險和低瓦斯狀態下的連續掘進。千米鉆機在突出煤層掘進工作面的成功應用，現場工作面安全環境有了實質性的改善，提高了安全生產效率，在高突礦井區域性預抽中，可以推廣使用。

3）通過利用千米鉆機實現巷道長距離連續掘進，可以提前對已圈定回采工作面施工預抽鉆孔，增加工作面抽放時間，減少工作面回采期間瓦斯涌出量，降低風排瓦斯壓力，為回采工作面高效生產提供保障。