礦井定向高位長鉆孔瓦斯抽采技術研究

＊趙云雷

（晉能控股裝備制造集團長平煤業有限公司 山西 048000）

1.地質概況

在某煤礦32開采區域中5303工作面是一個結構較為簡單的工作面。通過地質探測，該煤礦地質方向為由北到西，整個煤礦傾斜方向為西南方向，傾斜角度為八度。整個煤礦煤層厚度在4.8m左右，煤層的傾向在166°～213°范圍之間。在此工作面以北的方向有一DF13斷層存在。該斷層為單傾斜斷層，由于斷層附近有地質斷裂的縫隙存在，所以形成了天然的瓦斯排放通道。測量可知工作面內剩余瓦斯壓力不超過0.35MPa，且含量在1.8～5.42m3/t范圍之間。但斷層受應力作用在一些區域內會有瓦斯氣體聚積。通過地質分析該工作面回采區為減少瓦斯濃度采用底抽巷穿層鉆孔技術來預先排放高濃度瓦斯氣體。

2.定向長鉆進設備及技術

在煤礦中打孔排氣的機械裝備主要用到定向鉆具和定向鉆機。同時這些機械設備還包含一套邊打鉆邊測量的測量系統。通過煤礦的實際情況，我們選用的煤礦鉆機為ZYL-6000D型定向的全液壓鉆孔機。該鉆機為履帶式鉆機，時速可保持在25m/min，鉆機最大流量290L/min，最大壓力11MPa，鉆機額定功率可達75kW。通過測量鉆機在工作時給進速度9m/min，同時起拔速度4m/min。該鉆機起拔力與推進力都為210kN，推進行程可達800mm。該鉆機的油箱可存儲250L的汽油。

除了鉆機還選用了BLY360/12型泥漿泵車，該車為履帶式礦用車。同時測量的軟件與系統選用YSX15型測量系統。

定向鉆機工作原理是機械內部的泵體驅動清洗液產生動能，其次高壓清洗液再驅動底部的轉子做轉動，最后轉子帶動鉆頭回轉對巖體進行打孔。鉆孔的進給方向應該嚴格按照設計方向進行。通過各項研究表明，在鉆機進行打孔的過程中，鉆頭與鉆孔的相對運動可能導致在鉆進過程中出現危險事故。所以要對鉆孔的設計方案進行優化，提高鉆孔的安全性與效率性。

另一方面測量系統的可靠性與準確性也要得到保證。在測量時首先要做到系統設備狀態正常，數據接受穩定，各測量原件接觸良好不受鉆孔振動影響。在測量時第一次測量打孔深度要超過12m，此深度是為了保證測量設備不受磁場的干擾。在隨后的測量過程中，每隔3m便記錄一次測量數據。當鉆孔完成后要對測量數據進行檢查，若出現異常數據要重新進行測量。最后在測量完成后對數據進行標定和備注，同時重要數據還要進行補充等。

3.定向高位鉆孔設計

(1)5303工作面垂直“三帶”分析

通常礦井中的瓦斯氣體釋放源頭較多，所以鉆孔抽取的位置與鉆孔的方式一般在釋放源頭活躍的地方進行。對5303工作面內部環境檢測分析，制定了在三帶區域進行鉆孔排放的方案，同時對該區域內打孔位置和鉆孔的鉆進方向進行了合理化設計布局。在開采的過程中采空區通道可能會出現三帶區域。在此之間周圍巖體受力發生改變，導致開采層與周圍巖體層會形成一個空氣流動的縫隙，該縫隙能對瓦斯進行排放。為了使鉆孔的設計位置最優化，打孔抽取瓦斯的位置應設置在該縫隙內，同時需要對冒落帶周圍巖層范圍進行測量計算。表1是煤層上巖體的具體參數。

煤礦工作面開采高度和冒落帶周圍巖體的厚度兩者關系如式（1）。

式中，

H2—縫隙帶高度，m；

H1—冒落帶高度，m；

M—煤礦工作面開采高度，m。

通過運算可得煤礦工作面高度范圍為4.77m左右，通過回采工作面高位打孔所檢測出的數據和經驗公式（2）可知，二1煤礦層頂板以上6.2m到9.2m內是冒落帶的范圍區域。由式（3）得出在30.8m到42m之間是縫隙帶的范圍區域。

(2)定向高位鉆孔設計

在某煤礦開在過程中，工作面回風巷是高位打孔主要位置所在，但工作面內部環境較差，內部充滿大量的粉塵，影響施工與機械設備。另一方面，煤礦巷在開通后就要立刻進行工作面安裝，而工作面安裝完成后回采工作也要立刻執行，所以整個煤礦開采步驟交接節奏過快，且回采的過程中回風流內不容許進行打孔作業，所以高位打孔的進程十分緩慢。為了解決此問題，通過分析把中巷只作為通風通道，其中沒有工序交接，所以可把高位打孔的位置定位在中巷通風道內進行。

由于受工作面縫隙帶高度的制約，通過實際測量把高位打孔位具體定位在中巷Z5測點前25m處。在打孔的位置處共設計兩個鉆孔，一個孔在離二1煤層底板25m位置，并且在頂板粉砂巖層中，另一個孔在距離二1煤層底板35m位置，并處于細粒砂巖層中。鉆孔最終貫穿位置在回風巷下部15m處，另一孔在25m處，且兩孔相隔700mm。首先，在開孔的過程中，鉆頭從工作面上幫貫穿通過煤礦層，然后再到頂板巖體的1m處。其次，在鉆好的空內放入直徑為146mm的套管，往套管內注漿來加固孔洞。最后，再用直徑為96mm的鉆頭繼續加深。圖1至圖2為打孔的位置軌跡示意圖，打孔參數如表2。

表2 5303工作面定向高位鉆孔設計參數

(3)鉆孔孔身結構及流程

通過實踐可知，鉆孔用二開式孔結構能更有效地提升打孔的效率與安全性。并且孔可靠性更好，工藝性更高，表3為其結構。

表3 定向鉆孔孔身結構

以下步驟是高位定向打孔的具體實施過程：

①固定鉆孔機并調整角度。

②選用超過4m起拔鉆桿、選用直徑為153mm鉆頭。

③洗孔。

④選用直徑為46mm的封孔管。

⑤開始對水氣、殘渣分離器和防噴箱等孔口進行連接。

⑥洗孔。

⑦起拔鉆桿。

⑧封孔注漿。

⑨對抽采排放管道進行連接。

4.現場實際效果分析

當打孔與封孔施工步驟結束后就要對瓦斯的具體含量進行抽取調查。通過一段時間的定點數據采樣，可知瓦斯氣體樣體的體積分數在3.3%到18.6%之間，通過參數運算抽樣平均體積分數在10.1%左右。瓦斯的采樣純度在0.11m3/min到0.49m3/min之間，采樣平均純度在0.49m3/min左右。圖3為采樣的瓦斯純度與時間的變化函數圖，在圖中可得鉆孔內瓦斯純度隨時間變化而增加。Z1孔的擬合方程式為y=0.00284+0.01771，通過方程式可算出增長倍數為7倍，從4月27日的0.05m3/min可增長到0.35m3/min。Z2孔擬合方程為y=5.87127x 104+0.08686，且可看出純度最大為0.24m3/min。

圖3 5303工作面定向高位鉆孔抽采量曲線

從圖3可知，孔Z2排出瓦斯氣體要比Z1孔含量低，其原因主要為瓦斯氣體為向上空氣流散發，孔Z1在采空區的下幫距離風巷15m的位置，而Z2孔在距離風巷25m的位置，所以孔Z2要比孔Z1少抽取瓦斯氣體。另一方面采空區在開采過程中區域會逐漸增大，瓦斯氣體在區域上部聚積，所以上部的孔排放量會一直增加，而距離遠的孔Z2則會在兩個月內排放量逐漸變低。

通過瓦斯含量函數曲線圖可知，與工作面距離較遠的孔周圍巖體受力分布均勻，應力對其影響較小，所以此處煤層狀態穩定，瓦斯散發量也較少，但在施工的過程中由于受力變化，煤層狀態也發生變化，此時瓦斯散發量開始增加，定向孔周圍巖體受力產生縫隙，瓦斯會隨著壓力加快向外排，所以抽取的瓦斯濃度也會增加。

5.結語

通過高位定向打孔的方案是一種更為先進的技術手段，通過對現場抽取的瓦斯參數研究，此方法相對于傳統的方法抽取效率更高，安全性能也更好。

在運用高位定向技術手段抽取瓦斯后，經檢測瓦斯氣體平均體積分數為10.1%左右，抽取樣本分為在3.3%到18.6%之間。純度也降到了0.11m3/min到0.49m3/min之間。與傳統相對比，工作面上隅角瓦斯體積分數低于0.1%，所以此方案更為有效，也更安全。

通過理論計算可得通過回采工作面高位打孔，二1煤礦層頂板以上6.2m到9.2m內是冒落帶的范圍區域。在30.8m到42m之間是縫隙帶的范圍區域。所以定向孔在巖體縫隙內長度得到了延長，鉆孔方案得到了優化改進。

定向鉆孔設備在工藝性與施工可靠性與傳統的履帶鉆孔設備相比優點更為突出，其對打孔位置的精準度、孔深長度都有明顯的變化。而且設備排放氣體時間更長，還不需要專門的排放通道，簡化了瓦斯抽取的過程。

在實際高位打孔中，由于受地質特點和機械設備誤差等因素影響，實際打孔的深度、軌跡以及層數都與設計方案中有一定的不同。所對煤礦地質勘探數據的精確程度和機械設備操作的熟練程度都影響著鉆孔的質量與效率。