高突礦井定向長鉆孔瓦斯抽采技術應用研究

宋勇峰

（晉能控股集團寺河煤礦，山西 晉城 048006）

0 引言

對突出煤層進行區域防突措施的實施及區域措施效果檢驗，是煤層進行采掘作業前的必要工序。為達到有效消除煤層突出危險性的目的，針對突出礦井普遍采用保護層開采或在煤層的底板下部施工巖石巷道以施工穿層鉆孔的預抽方法，對突出煤層進行超前預抽采[1-2]。為了達到快速降低煤層瓦斯含量或瓦斯壓力的效果，礦井多采用加大巷道或鉆孔工程量來緩解抽掘采銜接緊張的局面，導致施工成本大、勞動力浪費嚴重等問題[3]。

國家煤礦安全監察局于2019 年下發的《防治煤與瓦斯突出細則》中明確規定，可以將定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區域防突措施來進行實施。這也進一步表明，我國部分礦井在應用定向長鉆孔進行區域防突措施執行上已取得了顯著效果[4-5]。定向長鉆孔預抽是在已消除突出危險的煤層巷道內向存在突出危險的煤層施工定向長鉆孔，從而達到長距離、全覆蓋、短抽采和快掘進的瓦斯治理效果[6]。但目前針對定向長鉆孔抽采技術的研究較少，基于此，本文開展定向長鉆孔的瓦斯抽采技術研究。

1 千米定向鉆孔抽采施工方式

1.1 巖巷穿層定向鉆孔瓦斯抽采技術

在煤層下部施工的巖石巷道中，在巷道兩側每間隔50～80 m 處施工定向鉆孔，鉆孔向未掘進的上部煤層方向鉆進。鉆孔進入煤層后沿著煤層走向鉆進，鉆孔長度一般保持在500～600 m。在巷道兩側一定間距施工千米定向鉆孔，可實現對未掘進煤層的覆蓋超前抽采，可有效攔截瓦斯向掘進巷道空間中滲出。鉆孔的布置圖如圖1 所示。

圖1 底板巖石巷道定向長鉆孔預抽

1.2 集中條帶式定向鉆孔瓦斯抽采技術

在對掘進工作面施工一定距離后，可對部分瓦斯賦存含量較高的區域進行定向長鉆孔條帶預抽采。主要是在工作面迎頭及巷道兩側設置鉆場，施工長度400～600 m 的定向長鉆孔，以對掘進面前方煤體及巷道兩側15 m 范圍的煤體進行強化抽采。在實施條帶預抽采期間，可對其他掘進巷道進行掘進生產，實現交替式抽采、交替式掘進。集中條帶式定向鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 本煤層巷道施工定向長鉆孔條帶預抽采

1.3 采空區高位定向鉆孔瓦斯抽采技術

在工作面回采期間，若不對采空區瓦斯進行超前治理，煤體受采動應力破壞、頂板下沉及采空區遺留落煤等影響，采動卸壓瓦斯會在生產期間向上隅角移動并產生積聚。高位定向鉆孔是在回采工作面設置鉆場，鉆場間距200 m 左右，鉆場內施工3～5 個頂板定向長鉆孔，鉆孔層位依據工作面采高確定，一般設置在工作面采高6～8 倍處。通過在工作面設置多個鉆場，前后定向鉆孔可實現10～15 m 的壓茬長度，可保障工作面正常生產期間定向長鉆孔的持續高效抽采。采空區高位定向鉆孔布置如圖3 所示，高位定向鉆孔剖面圖如圖4 所示。

圖3 頂板高位鉆孔采空區抽采

圖4 采空區高位定向鉆孔剖面圖

1.4 區域遞進式定向鉆孔瓦斯抽采技術

采區巷道掘進過程中，在開采煤層臨近巷道內合理布置鉆場，提前向開采煤層內施工鉆孔，利用千米鉆機施工定向鉆孔覆蓋整個開采煤層，提前將開采煤層內的瓦斯進行抽放，達到降低瓦斯含量的目的。當采煤工作面圈定完成后可以直接進行回采，可提高采煤效率，保證采煤工作的順利進行。區域遞進式定向長鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 區域遞進式定向抽采示意圖

2 各類千米定向鉆孔作用分析

1）巖巷穿層定向鉆孔瓦斯抽采技術：掩護巷道施工，提高掘進效率。通過巖巷穿層鉆孔，對巷道接煤點提前抽采，減小了煤層壓力，為往后巖巷見煤提供安全保障。千米鉆孔兼做探放水孔，有效覆蓋各巷道，減少國產鉆機施工探放水鉆孔，減少工藝流程。

2）集中條帶式定向鉆孔瓦斯抽采技術：在巷道迎頭及兩側布置鉆場，利用高負壓集中抽放這些鉆孔，形成高負壓、高濃度集中型抽放模式，在短時間內將順槽巷道前方400～600 m 范圍的煤體瓦斯涌出量降至8 m3/min 以下，最終保證巷道掘進不受瓦斯制約。減少了國產鉆機作業工期及施工進尺。通過集中條帶式定向鉆孔，減少巷道兩幫鉆場布置，避免與國產鉆機交叉作業，提高巷道掘進速度，節省施工工期。通過集中條帶式鉆孔探頂、探底，在施工巷道時予以參考，優化巷道布局。

3）采空區高位定向鉆孔瓦斯抽采技術：提前向可采煤層頂板裂隙施工鉆孔，綜采隊在回采過程中，有效消除了采空區上隅角瓦斯積聚，提高回采速度。有效解決工作面回采過程中上隅角瓦斯積聚，穩定區域回采探頭，保持瓦斯體積分數在0.4%以下。通過西安12000 定向鉆機配套設備施工120 mm 大孔徑千米鉆孔，一次成孔，每天有效進尺達到78～90 m/d，提高了鉆孔進尺及成孔率。

4）通過千米鉆孔瓦斯抽采，不僅減少了國產鉆機的頻繁施工，提高了抽放量，節省了大量的經濟支出，還為各采面的銜接提供了有利的保障，同時，通過千米鉆孔的探頂、探底，還能更加準確有效地向各有關部門提供可靠的瓦斯地質資料。

3 千米定向鉆孔應用實例

3.1 定向穿層鉆孔

利用巖巷穿層定向鉆孔瓦斯抽采技術對東六回風巷西掘1 號和2 號千米鉆場施工11 個千米鉆孔，總進尺20 439 m，穿層定向長鉆孔布置形式如圖6 所示。

圖6 巖巷穿層鉆孔抽采示意圖

在東六回風巷兩側布置千米鉆場施工定向鉆孔，鉆孔設計深度400～600 m，每個鉆孔先在巖層中施工，見煤后根據生產需要再施工一定深度。在巖層中的鉆孔可以攔截瓦斯向巷道涌出，起到掩護巷道掘進的作用，在煤層中的鉆孔可以直接抽放瓦斯，達到降低瓦斯含量的目的。

3.2 煤巷條帶預測鉆孔

利用集中條帶式定向鉆孔瓦斯抽采技術對東區北翼膠帶巷、運輸巷17 號橫川千米鉆場，東區北翼膠帶巷、運輸巷反掘1 號橫川千米鉆場等地方進行施工。東區北翼膠帶巷、運輸巷17 號橫川千米鉆場共施工11 個鉆孔，總工程量13 506 m，東區北翼膠帶巷、運輸巷反掘1 號橫川千米鉆場共施工16 個千米鉆孔，總工程量20 553 m。通過對東區北翼膠帶、運輸巷施工的集中條帶式定向鉆孔進行實時計量，27 個千米鉆孔在3 個月的預抽時間內，共計抽采瓦斯量699.84 萬m3，單個鉆孔平均抽采量達到2 m3/min，通過抽采后的瓦斯含量測定，掘進工作面前方的殘余瓦斯含量降至6.4 m3/t，保證了巷道掘進過程中不受瓦斯制約，可以順利掘進。

53043 巷23 號橫川千米鉆場累計抽放瓦斯263.844 8 萬m3，53043 巷22 號橫川千米鉆場累計抽放瓦斯334.753 2 萬m3，53043 巷8 號橫川千米鉆場累計抽放瓦斯152.968 萬m3，53043 巷6 號橫川千米鉆場累計抽放瓦斯120.332 5 萬m3。通過對53043 巷各鉆場布置羽狀千米鉆孔，提前向5304 工作面施工鉆孔，利用千米鉆機施工定向鉆孔覆蓋整個開采煤層，提前將5304 工作面內的瓦斯進行抽放，降低了煤層內的瓦斯含量，提高了采煤效率，保證了采煤工作的順利進行。

4 結論

定向長鉆孔作為區域防突措施之一，在寺河煤礦得到了廣泛應用。應用巖巷穿層定向長鉆孔預抽、集中條帶式定向鉆孔預抽、采空區高位定向鉆孔抽采及區域遞進式定向鉆孔抽采等方式對煤炭回采前和回采期間的瓦斯進行治理，是既節約成本又可實現高效率抽采的治理方法。工程實踐表明，定向長鉆孔預抽既降低了煤層內的瓦斯含量，又提高了采煤效率，保證了采煤工作的順利進行。