高位定向長鉆孔抽采技術在上隅角瓦斯治理中的應用

李棟龍

（太原市宏宇煤炭技術咨詢有限公司，山西太原 030000）

隨著礦井開采深度的增加，瓦斯賦存量越來越大，瓦斯含量和瓦斯壓力越來越高，掘進期間的瓦斯涌出量也不斷增大，嚴重影響了礦井的安全生產。目前礦井除利用通風方式稀釋巷道采掘空間內涌出的瓦斯以外，需要利用抽采的方式解決煤層瓦斯，但受煤層賦存狀況影響，煤層賦存起伏不定，傾角變化大，普通履帶鉆機因無定向鉆進功能，鉆孔往往無法按設計軌跡進行施工，存在空白帶，給瓦斯治理帶來困難。長距離定向鉆孔可控制鉆孔軌跡，使鉆孔到預定位置，與常規鉆機相比，定向鉆機可以根據煤層賦存起伏隨時對鉆孔角度進行調整，且施工距離長，確保瓦斯治理效果。本文以曹家山礦為研究對象，采用長距離定向鉆孔技術治理15105、80105采煤工作面上隅角瓦斯，通過現場實測的方法分析長距離定向鉆孔的瓦斯抽采效果。

1 礦井概況

曹家山礦位于山西呂梁柳林縣城東南7km處曹家山村一帶，井田面積8.45km2，設計年生產能力90×104t，可采煤層共有開采4#、8#、9#煤層，80103 工作面現主要開采8#煤層，煤層平均厚度5.9m，平均傾角4°。礦井絕對瓦斯涌出量85.77m3/min，綜采工作面絕對瓦斯涌出量47.21m3/min，為高瓦斯礦井，且煤層透氣性差，鉆孔瓦斯抽采濃度衰減快，抽采難度大；為此研究提出采用定向鉆進工藝，主要解決回采工作面上隅角瓦斯積聚問題。

1.1 工作面地質概況

80103 工作面長約2750m，傾向長度約200m。DBF4正斷層位于工作面，走向210°、傾向120°、傾角50°，落差2～5m。構造影響范圍內出現煤層松軟，裂隙發育，頂板巖石破碎、煤巖層產狀變化較大、瓦斯涌出異常等現象。

80105 工作面位于礦井東北部，西起80105 軌道巷，東至井田邊界510～575m處，北距井田邊界最小距離247m，南部為80103 工作面采空區，其保護煤柱為8m；80105 工作面210～1010m 推進范圍內南側為其工作面采空區；80105 工作面周邊無其他采掘工作面分布。80105工作面煤層賦存穩定，煤層厚度4.6～5.6m，膠帶運輸順槽厚于軌道運輸順槽，平均厚度4.6m，煤層結構簡單，無夾矸發育，煤層穩定可采[4]。

1.2 煤層瓦斯賦存情況

從曹家山礦8#煤層瓦斯地質圖可知，預計該巷所在8#煤層范圍內瓦斯含量在4.0～6.0m3/t，瓦斯壓力為0.3～0.4MPa，根據15110 兩條順槽掘進期間瓦斯涌出情況預計，80103 膠帶順槽掘進期間絕對瓦斯涌出量2.7m3/min，相對瓦斯涌出量0.68m3/t。8#煤層透氣性系數為0.089～0.094m2/（MPa2·d），小于0.1m2/（MPa2·d），屬較難抽放煤層。

80105工作面處于白羊嶺向斜東北翼，整體形態以單斜為主，北高南低，東高西低，地勢開闊，上覆基巖覆蓋厚度變化較大。工作面內8#煤層埋深560～627m，工作面最深部位于停采線位置，距離白羊嶺向斜軸部最小距離為8m，地應力高，圍巖的透氣性低，有利于瓦斯保存，瓦斯含量較大；工作面最淺部位于開切眼中部，瓦斯含量相對較小。瓦斯含量變化規律也呈現出整體上變化較小，局部變化較大的特點[5]。

2 高位定向鉆孔設計

2.1 工作面覆巖“兩帶”高度確定

工作面開采后，根據覆巖受采動破壞程度，自下向上巖層可依次劃分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，其中垮落帶和裂隙帶合成為“兩帶”。覆巖“兩帶”高度主要與工作面覆巖巖性、采厚及開采方式有關。結合曹家山礦80105工作面地層鉆孔柱狀分析可知，80105工作面15號煤層直接頂及基本頂主要以泥巖、灰巖、砂質泥巖為主；直接頂和基本頂厚度之和接近40m，選用中硬覆巖條件下的“兩帶”高度計算公式進行計算。因此高位鉆孔高度Hz應滿足下列條件：

80105 工作面煤層厚度為4.5～5.1m，平均厚度4.8m，計算得垮落帶高度Hm=9.6～14.6m，裂隙帶高度Hl=16.5～29.5m；因此高位鉆孔高度取值為：14.6～29.5m。

2.2 長距離高位定向鉆孔橫向間距設計

根據采空區瓦斯“O型圈”流動理論，煤層開采后覆巖裂隙自采空區中部向煤工作面兩順槽側煤壁轉移，采空區中部會被重新壓實，在采空區周邊會形成連通的離層裂隙發育帶。將長距離高位定向鉆孔布置在裂隙發育區域，通過抽采經裂隙場向上運移的采空區及上隅角瓦斯，降低工作面瓦斯濃度。根據上述分析，在進行高度定向鉆孔設計時，鉆孔在高度方向上需按裂隙帶發育范圍設計參數，在鉆孔水平方向上需根據工作面采礦地質條件確定。根據80105 工作面采礦地質條件，分析確定將高位鉆孔布置在距巷幫10～30m 范圍內[6-7]。

2.3 鉆孔布置

通過對長距離高位鉆孔終孔位置理論計算及水平位置分析確定，并結合80105工作面頂板不同巖層的巖性特征，在80105工作面軌道順槽布置5組長距離高位鉆孔。鉆孔編號分別為1#、2#、3#、4#和5#，其中，1#鉆孔距巷幫10m，5#鉆孔與高抽巷平距10m，終孔孔間距5m，1#、3#、5#鉆孔終孔高度分別布置在距頂板15m，2#、4#鉆孔終孔距頂板20m，鉆孔布置層位巖性為砂質泥巖，呈灰黑色，塊狀，平坦狀斷口，水平層理發育，含少量植物化石。單孔設計平均長度約520m，共計2600m。鉆孔成孔后封孔采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔段孔徑203mm，封孔管徑159mm，封孔長度為18m。鉆孔終孔方位角為75°，地磁偏角為-6°，勘探線方位角為81°。

在80105工作面共布置5個高位鉆孔，見圖1，覆蓋巷道左幫10～30m 范圍內，層位分別布置在距頂板15m、20m，采用大功率定向鉆機（ZDY-15000LD）施工頂板高位定向長鉆孔。鉆場布置在距開切眼距離為730m，主要目的是考慮到回采工作面推進較快，定向鉆機施工周期長，以確保留有足夠的施工距離[8-9]。

圖1 80105工作面頂板高位定向長鉆孔實鉆平面圖

3 長距離定向順層鉆孔抽采對比施工

為對比分析高位定向鉆孔與順層定向鉆孔在曹家山礦的瓦斯抽采效果，在80103工作面設計施工順層定向鉆孔進行瓦斯抽采。鉆場位于軌道順槽1100m 處，采用大功率定向鉆機（ZDY-15000LD）共施工2 個主孔，鉆孔編號分別為1#和2#，分支共14 個，累計總進尺3861m。

4 效益性對比分析

4.1 鉆孔瓦斯濃度、抽采量對比分析

80105 工作面長距離定向高位鉆孔和80103 工作面長距離定向順層鉆孔瓦斯平均單孔混合量、濃度變化曲線如圖2所示。從瓦斯濃度來看，長距離定向高位鉆孔瓦斯抽采濃度為29.5%～69.2%；定向順層鉆孔瓦斯抽采濃度為15%～52.3%；定向高位鉆孔在不同抽采時間內瓦斯抽采濃度基本均高于定向順層鉆孔，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

圖2 長距離定向高位（順層）鉆孔瓦斯濃度、抽采量變化曲線

綜合分析長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔平均單孔混合量，正常情況下高位鉆孔維持在6.4m3/min左右，而順層鉆孔僅為0.62m3/min 左右，前者為后者的10倍左右。說明在低透氣性煤層中處于裂隙帶內的定向高位鉆孔瓦斯抽采效果要明顯優于順層鉆孔。高位定向鉆孔連抽后，80105工作面取消了上隅角埋管抽采措施，不再出現上隅角瓦斯超限現象[10]。

4.2 工程量對比分析

在走向方向上，80105、80103工作面施工的定向鉆孔抽采范圍均為550m左右；長距離定向高位鉆孔施工總長度為2751m，定向順層鉆孔施工總長度3861m。定向順層鉆孔工程量約為定向高位鉆孔的1.4倍。

4.3 施工難度對比分析

80105工作面頂板定向鉆孔5個孔中，2#、4#鉆孔為上層鉆孔，鉆孔層位距15 號煤層頂板24～27m；1#、3#、5#鉆孔為下層鉆孔，鉆孔層位距15 號煤層頂板17～18m。2#、4#鉆孔在施工過程中穿K2灰巖時，鉆孔鉆進速度慢，出現憋泵、卡鉆、返渣不暢等情況。1#、3#、5#孔主要在14#煤層與K2灰巖中間施工，施工較順暢；總施工周期43d。

80103軌道順槽施工順層定向鉆孔過程中，主要存在以下兩個方面問題：一是鉆孔開孔施工前50m，鉆孔破壞原始煤層的完整性，導致地應力開始重新分布，孔內壓力增大，施工中孔內響煤炮，鉆孔穿過50m以后鉆孔響煤炮現象逐漸減少。二是鉆孔施工中局部地點塌孔嚴重，經分析主要原因為15 號煤層堅固性系數平均在0.5左右，局部地點煤層堅固性低于0.5易塌孔；鉆孔沿煤層傾角施工，局部地點煤層傾角大（負角度）鉆孔施工困難，易垮孔；總施工周期52d。

總體上高位定向鉆孔施工過程較為順利，施工周期短；用于治理工作面上隅角瓦斯效率更高。

5 結論

（1）通過理論計算出80105工作面覆巖垮落帶高度為9.6～14.6m，裂隙帶高度為16.5～29.5m；確定長距離定向高位鉆孔的施工位置為煤層上方14.6～29.5m。

（2）通過對80105、80103工作面瓦斯抽采數據分析得出，定向高位鉆孔的單位進尺抽采量比定向順層鉆孔要高，瓦斯抽采效果明顯較好，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

（3）對比長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔的施工量、施工周期、瓦斯抽采效果等因素，證明了長距離高位定向鉆孔抽采瓦斯具有成本低、效果好等優點，有效治理上隅角瓦斯。