富康源礦瓦斯抽采以孔代巷技術研究與實踐

霍海峰

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

富康源礦位于鄉寧縣臺頭鎮神角村，井田面積為9.75 km2，設計生產能力120 萬噸/年，井田地質構造簡單，屬于煤層群開采，煤層開采過程中頂底板巖層中形成采動裂隙，鄰近層卸壓及本煤層瓦斯受采動影響，在進、回風流壓差作用下，易造成上隅角及回風巷超限。目前，針對上隅角及回風巷瓦斯治理，通常采用頂板抽采巷、斜交鉆孔方式進行頂板裂隙帶抽采。但專用抽采巷道施工工程量大、工期長、成本高，斜交鉆孔受采動影響抽采效果不理想等缺點，給采煤工作面瓦斯治理帶來諸多困擾[1]。

基于此，以富康源礦2106 工作面為實踐進行以孔代巷技術研究，通過施工高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔替代專用抽采巷進行瓦斯抽采，使用常規液壓鉆機與ZDY2000LD 千米定向鉆機相結合，利用各自施工鉆孔特點，控制不同重點瓦斯抽采區域。通過抽采效果分析，取得了良好的效果。

1 2106 工作面概況

2106 工作面掘進長度908 m，傾向長150 m，絕對涌出量50.41 m3/min，為突出煤層。工作面為復合頂板巖層，老頂由厚度6.32 m 的粗砂巖、中砂巖組成，直接頂主要由厚度為2.88 m 的粉砂巖組成，采用全部垮落法管理頂板。該工作面為北二2 采區首采工作面，根據地質條件分析1#煤層開采后，來自于1#煤層和相鄰煤層涌出的瓦斯，易造成上隅角和回風巷瓦斯超限。

2 以孔代巷技術原理

在煤礦實際生產過程中，由于專用抽采巷道施工進度等原因，限制了該工藝的發展應用。以孔代巷技術就是利用一定數量的頂板高位水平長鉆孔、大直徑定向鉆孔替代頂板抽采巷進行頂板高效抽采，高位水平長鉆孔可以在較短時間內施工多個抽采濃度大、抽采穩定的有效鉆孔，大直徑定向鉆孔通過對鉆孔軌跡的精確控制，使鉆孔在回風巷側頂板動壓區域裂隙帶內有效延伸，實現頂板動壓區域裂隙帶內的穩定抽采，保證高濃度、大流量、長時間的鉆孔抽采效果。

3 鉆孔設計與施工

3.1 高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔設計

3.1.1 高位水平長鉆孔設計

設計目的要保證抽采工作面回采期間動壓區間內的裂隙通道及抽采工作面煤壁以及上隅角瓦斯。該工作面施工高位鉆場間距為140 m，工作面推進周期來壓步距為2 m，鉆場布置在距1#煤層頂板2 m 的巖層中，鉆孔終孔點控制在距煤層頂板25～42 m 之間，為保證抽采的連續性，兩組鉆孔施工合理壓茬距離確定為50 m。高位水平長鉆孔平面布置示意圖如圖1 所示。

圖1 高位水平長鉆孔平面布置示意圖

3.1.2 大直徑定向鉆孔設計

設計目的要保證連續抽采頂板周期卸壓瓦斯，鉆孔布置原則參考高位水平長鉆孔設計垂高，確保鉆孔抽采層位準確，為實現以孔代巷目的。綜合地質條件，應選擇較穩定巖層施工，確保鉆孔施工成孔率及施工鉆孔數量，根據2106 工作面煤層頂板2～19 m 和22～28 m 為砂巖層，巖體結構較完整，結合頂板裂隙發育特征和富康源礦生產實踐經驗，確定布孔層位為13～30 m 之間。

3.2 高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔的施工

3.2.1 高位水平長鉆孔的施工

施工采用“Φ94 mm 鉆頭+Φ89 mm 三棱鉆桿”鉆具組合，按照設計方位、傾角、孔深快速施工至預計抽采垂高。

3.2.2 大直徑定向鉆孔的施工

開孔采用普通回轉鉆進工藝施工，主要目的是安裝孔口管和孔口四通及氣水分離器，并連接抽采系統，實現邊鉆進邊抽采，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限。

先導孔采用“Φ20 mm 鉆頭+Φ89 mm 鉆桿”鉆具組合，回轉鉆進至15m；二次進尺采用“Φ153 mm/20 mm 鉆頭+Φ89 mm 鉆桿”鉆具組合，回轉擴孔鉆進至10 m。

三次擴孔采用“Φ250 mm/153 mm 擴孔鉆頭+Φ89 mm 鉆桿”鉆具組合，回轉擴孔鉆進至9.5 m。

按設計要求下入直徑Φ200 mm 套管9 m，并采用兩堵一注方式進行注漿固管。

鉆進主要采用滑動鉆進工藝，同時，在鉆孔軌跡參數變化較小孔段，可以采取復合鉆進工藝。采用的定向鉆具組合為：“Φ20 mm 鉆頭+Φ89 mm 孔底馬達+Φ89 mm 無磁鋼鉆具+Φ89 mm 通纜鉆桿”施工至設計孔深。定向鉆具組合圖如圖2 所示。

圖2 定向鉆具組合圖

4 瓦斯抽采效果分析

工作面回采期間對高位鉆場及千米鉆場抽采分支管路上都安裝了抽采計量裝置，實現對水平長鉆孔和定向鉆孔的計量考察。

4.1 高位水平長鉆孔抽采效果分析

2106 工作面共施工8 個高位鉆場，鉆場間距140m，抽采服務范圍1 137 m，以8#鉆場為例，分析其抽采效果。2019 年5 月10 日至26 日持續抽采17 天，單日最大抽采純流量達10.23 m3/min，抽采總純量16 萬m3，累計抽采總量136 萬m3。高位鉆場抽采純流量隨工作面過終孔點距離變化曲線如圖3 所示。

圖3 高位鉆場純瓦斯流量隨工作面過終孔點距離變化曲線

初期抽采階段為工作面推進且過鉆孔終孔點20 m時，高位水平長鉆孔瓦斯流量明顯增大，其中5#孔純量達2.62 m3/min。工作面繼續推進100 m 范圍內為抽采穩定階段。當工作面過終孔點距離20 m 以后，鉆場開始進入抽采衰減階段，此時下一個接續鉆場正好處于鉆孔初期抽采階段，保證工作面持續抽采。

4.2 大直徑定向鉆孔抽采效果分析

2106 工作面從回順500 m 至回順口沒有設計、施工高位鉆場，待采階段僅僅依靠斜交鉆場的傾斜鉆孔抽采，做不到連續抽采。2106 工作面“千米鉆場”施工完成大直徑定向鉆孔累計進尺3 547 m。各鉆孔竣工時結構和產狀情況。

瓦斯抽采前期，高位水平長鉆孔直接作用于采空區高濃瓦斯積聚區，抽采效果明顯較大直徑定向鉆孔好。隨著工作面持續推進，高位水平長鉆孔逐漸脫離最佳抽采冒落區域，而大直徑定向鉆孔始終保持在采動裂隙發育地帶，抽采效果逐漸凸顯，抽采平均純量與濃度逐步增加，并超過高位水平長鉆孔抽采水平[2-3]。

2106 千米鉆場施工的大直徑定向鉆孔從回順口延伸至回采區域的抽采服務范圍540 m，當工作面推進至回順最后一個高位鉆場時大直徑定向鉆孔開始進入抽采初期階段，保證了鉆孔的連續抽采。大直徑定向鉆孔累計抽采瓦斯75 萬m3。

在高位水平長鉆孔和大直徑定向鉆孔抽采區域范圍內，隨著鉆孔抽采瓦斯純量的持續增大，工作面上隅角瓦斯濃度穩定在0.34%～0.45%，回風瓦斯濃度穩定在0.42%～0.53%，抽采純量平均達到15 m3/min，抽采濃度32%。通過兩種鉆孔相結合，在控制范圍上能夠滿足采面瓦斯治理工程布控需要，在抽采接續上能夠實現較好的接續效果。大直徑定向鉆孔與高位水平長鉆孔抽采示意圖如圖4 所示。

圖4 大直徑定向鉆孔與高位水平長鉆孔抽采示意圖

5 結論

1）以孔代巷在技術上是可行的，適用于富康源礦北二采區1#煤層工作面。通過對大直徑定向鉆孔軌跡的精確控制，提前在工作面頂板采動裂隙帶內施工梳狀預抽鉆孔，將大直徑定向鉆孔以最長化地展布在瓦斯積聚的水平裂隙巖層帶內，結合高位水平長鉆孔對工作面推進時局部巖體卸壓瓦斯的快速抽采，抽采范圍將更具規模，以孔代巷抽采瓦斯將具有顯著的技術優勢。

2）根據瓦斯抽采效果，大直徑定向鉆孔與高位水平長鉆孔都有各自的優點，大直徑定向鉆孔抽采瓦斯在控制鉆孔預抽層位上具有明顯優勢，抽采效果更穩定，高位水平長鉆孔初期瓦斯抽采能力更強，解決局部瓦斯涌出效果較好。結果表明，2106 工作面利用高位水平長鉆孔和大直徑定向鉆孔可替代頂板瓦斯道抽采。

3）兩種控制不同重點區域的鉆孔相結合的瓦斯抽采方式，為以孔代巷技術的研究與實施提供了實踐基礎。