定向長鉆孔在瓦斯治理中的應(yīng)用

周文宇

華晉焦煤沙曲二號煤礦 山西 呂梁 033300

引言

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的帶動下，使得大量的新型科學(xué)技術(shù)被研發(fā)出來，進(jìn)而推動了各個行業(yè)的健康穩(wěn)定的發(fā)展。這樣對于煤礦綜合機(jī)械化采煤工藝的發(fā)展也起到了積極的影響作用，在運(yùn)用這項(xiàng)工藝的時候，往往會遇到瓦斯泄露的問題，進(jìn)而嚴(yán)重的威脅到了煤礦資源開采工作安全性。因?yàn)橥咚古c空氣之間的質(zhì)量是存在明顯的密度差，再加上采空區(qū)域存在漏風(fēng)的情況，在采空區(qū)域頂層板材裂縫中極易存積大量的高濃度的瓦斯氣體，進(jìn)而可以順著密封墻體或者是煤柱的縫隙涌入到采煤區(qū)域或者是礦井巷道之內(nèi)，這樣就會影響到通風(fēng)的效果，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的危險的事故。經(jīng)過對大量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們發(fā)現(xiàn)，工作面回風(fēng)流瓦斯有超過一半的成分是來源于采空區(qū)域，采空區(qū)域瓦斯泄露極易導(dǎo)致空間內(nèi)瓦斯密度的增加，進(jìn)而會增加空間內(nèi)的危險系數(shù)，進(jìn)而，結(jié)合實(shí)際情況采用適當(dāng)?shù)姆椒▽臻g內(nèi)的隅角瓦斯加以切實(shí)的管控，能夠有效地保證礦井開采工作的有序的進(jìn)行。就現(xiàn)如今的技術(shù)情況來看，煤礦開采空間內(nèi)的隅角瓦斯的預(yù)防和治理方法有多重要，諸如：高抽巷法、地面鉆孔法、埋管法、普通高位鉆孔法、高位定向長鉆孔法等，這些方法在實(shí)際工作中加以運(yùn)用之后都能夠獲得較好的成效，但是高抽巷法，相對來說花費(fèi)較多，后期維保工作也會需要大量的資金，并且在實(shí)施管理工作的時候存在諸多的困難。埋管法存在抽樣采集效率低下的情況。地面鉆孔方法適合運(yùn)用在煤礦挖掘深度較淺的高瓦斯煤層結(jié)構(gòu)之中，并且整個工序的花費(fèi)較多。普通高溫款空方法盡管具有良好的實(shí)用性，并且在實(shí)際使用中操作較為簡便，但是與高位定向長鉆孔方法相比較來說，鉆孔效果不能加以控制，極易產(chǎn)生失誤，這樣對于瓦斯的抽樣采集形成一定的影響。并且鉆孔的深度較差，并且涉及到的工作程序較為繁瑣。高溫定向長鉆孔方法其實(shí)質(zhì)就是借助隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)在資源挖掘空間內(nèi)搭建一個采動裂縫瓦斯抽樣采集渠道，在回采工作面的不斷延伸過程中，借助采動壓力來構(gòu)建縱向破裂裂縫以及水平方向的離層裂縫采樣采空區(qū)域。其最為突出的特征主要有：首先鉆孔進(jìn)行軌跡具有一定的可控性，在有效抽樣采集區(qū)域內(nèi)鉆孔效率較高。其次，覆蓋面積較大，能夠大范圍的瓦斯抽樣工作創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。最后是鉆孔可以選擇在回風(fēng)巷或者是工作空間內(nèi)的順槽之中，不需要安設(shè)高位鉆長。現(xiàn)如今，高位定向長鉆孔可以說是煤炭資源挖掘空間內(nèi)隅角瓦斯治理的關(guān)鍵方法，在國內(nèi)的諸多大型煤炭企業(yè)中被大范圍的加以運(yùn)用，并且取得了良好的成效。

1 高位定向長鉆孔施工技術(shù)

1.1 層位布置

高位定向長鉆孔層位位置的選擇與工作空間內(nèi)隅角瓦斯的抽樣采集存在一定的關(guān)聯(lián)，通常情況下是借助上隅角周邊的裂縫情況來加以判斷。利用專業(yè)的理論知識我們可以總結(jié)出，裂縫之中可能會存在較多的高濃度的瓦斯氣體，并且裂縫形成較為充實(shí)，進(jìn)而是實(shí)施瓦斯抽樣采集的最佳位置，換句話說，高溫定向長鉆孔層位的控制需要保持在采動裂縫的既定范圍之內(nèi)。當(dāng)下，針對擦空區(qū)域頂層板垂直方向三帶的發(fā)育程度的判斷方式還沒有較為高效的判斷方法，通常是借助裂縫帶高度的專業(yè)計(jì)算公式來加以判斷。

1.2 成孔方法

經(jīng)過理論分析以及大量的試驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)：鉆孔直徑與瓦斯的抽樣采集的結(jié)果存在密切的關(guān)聯(lián)，鉆孔直徑越大，那些瓦斯的抽樣采集的效果就會表現(xiàn)的越好。就當(dāng)前擁有的定向鉆進(jìn)機(jī)械來說，為了得到需要的大直徑的高位定向長鉆孔，通常人們會利用導(dǎo)向孔輔助分級擴(kuò)孔的施工方法。首先借助隨機(jī)測量定向鉆進(jìn)的模式來確定運(yùn)行可控的導(dǎo)向孔，隨后借助專業(yè)的擴(kuò)孔鉆頭來對孔洞的直徑加以擴(kuò)大。

(1)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。現(xiàn)如今在那些規(guī)模較大的煤礦企業(yè)煤炭挖掘工作中大范圍的運(yùn)用了隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)能夠較好的對鉆孔的軌跡加以控制。在高位定向長鉆孔導(dǎo)向孔的設(shè)置工作中，引用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)有效的確保了鉆孔軌跡在采動裂縫中的擴(kuò)張，進(jìn)而能夠保證鉆孔在工作空間內(nèi)回采環(huán)節(jié)中與采動裂縫進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)對隅角瓦斯采動收集的目的。

(2)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。在針對孔洞實(shí)施直徑擴(kuò)展的時候，可以選擇回轉(zhuǎn)擴(kuò)工施工技術(shù)，借助具備良好引導(dǎo)作用的擴(kuò)孔鉆頭，利用專業(yè)的方法將孔洞的直徑擴(kuò)展到需要的標(biāo)準(zhǔn)水平。

2 高位定向長鉆孔施工裝備

2.1 定向鉆機(jī)

定向鉆機(jī)完成高位定向長鉆孔孔洞設(shè)置的基本機(jī)械，結(jié)合孔洞的特征以及分布的特點(diǎn)，可以劃分為不同的結(jié)構(gòu)形式，在選擇使用的時候需要充分的結(jié)合實(shí)際情況以及鉆進(jìn)的需求。

2.2 定向鉆具

孔底馬達(dá)是整個定向鉆進(jìn)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，其實(shí)鉆進(jìn)系統(tǒng)中能源的主要來源。

2.3 隨鉆測量儀器

就現(xiàn)如今國內(nèi)的煤炭井下挖掘現(xiàn)狀來說，井下隨鉆測量系統(tǒng)都是借助有線傳輸?shù)男问?，傳輸?shù)木嚯x通常都是超過一千米以上。鉆孔軌跡標(biāo)準(zhǔn)可以利用探管來加以判斷，并且需要結(jié)束通線鉆桿來將測量獲得的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這樣能夠達(dá)到雙向信息傳遞的目的。結(jié)合電能供應(yīng)形式的不同，隨鉆測量系統(tǒng)探管結(jié)構(gòu)可以劃分為良好總形式，即孔底供電測量探管和孔口供電測量探管。隨鉆測量系統(tǒng)配合孔底馬達(dá)能夠達(dá)到實(shí)時鉆孔軌跡測量和控制的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 在沙曲煤礦24208工作面的應(yīng)用

(1)工作面概況。沙曲煤礦24208工作面開采3+4#煤層，煤層厚度3.5～4m。24208工作面頂板巖層總體情況較好，局部可見炭質(zhì)泥巖偽頂和破碎直接頂，基本頂巖性較好，未受到周邊工作面擾動影響，巖層較完整。

(2)鉆孔施工情況。24208工作面的頂板走向鉆孔分為兩部分布置，一部分用定向鉆機(jī)在22201配巷施工高位定向鉆孔；另一部分用國產(chǎn)鉆機(jī)在24208回風(fēng)巷施工高位非定向鉆孔。為了充分對比高位非定向鉆孔與高位定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，將高位定向鉆孔主抽采孔段布置于平面上沿工作面走向工作面以內(nèi)距回風(fēng)巷內(nèi)幫25～65m處，剖面上距煤層頂板6～8倍采高。

(3)瓦斯抽采效果分析。煤礦瓦斯災(zāi)害治理是一個綜合的過程，往往需要多種抽采方法的配合才能保證煤礦的安全回采?；谕咚箲?yīng)抽盡抽的理念，結(jié)合該工程工作面實(shí)際情況，前期預(yù)抽煤層瓦斯消除突出危險性，后期綜合治理相結(jié)合的采煤工作面“全方位立體式”瓦斯綜合治理措施，采用“地面與井下抽采相結(jié)合，穿層和順層抽采相結(jié)合、保護(hù)層開采與卸壓抽采相結(jié)合”的瓦斯綜合抽采模式。即采用不同形式對回采工作面原始瓦斯預(yù)抽以及回采期間的瓦斯抽采，包括穿層鉆孔、順層鉆孔、高位鉆孔、攔截鉆孔、地面井和上隅角埋管抽采等。為綜合分析對比高位定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面推進(jìn)過程中，采集了高位定向長鉆孔與高位抽放巷瓦斯抽采數(shù)據(jù)。高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度隨工作面推進(jìn)逐漸增加，最高值達(dá)到80%，平均值53.6%。工作面回采初期，高位非定向鉆孔起主要作用，鉆孔平均總純瓦斯流量為1.35m3/min，平均濃度為40%；回采中期高位定向鉆孔和高位非定向鉆孔共同起作用，定向鉆孔平均總純瓦斯流量為6m3/min,平均濃度為60%，非定向鉆孔平均總純瓦斯流量為4m3/min,平均濃度30%；回采后期，高位定向鉆孔起主要作用，平均瓦斯抽采純量10m3/min ,平均濃度80%，且持續(xù)到工作面回采結(jié)束后一個星期。

通過對上述瓦斯抽采數(shù)據(jù)的綜合分析，認(rèn)為工作面采動裂隙瓦斯抽采具有一定效果，其表現(xiàn)為隨著工作面的不斷推進(jìn)，高位定向長鉆孔瓦斯抽采能夠抽出高濃度大流量的瓦斯，且高位定向長鉆孔介入抽采期間高位定向鉆孔的瓦斯抽采純量較非定向長鉆孔抽采效果明顯，回采中期兩種抽采方式抽采濃度相差30%。由此可見，高位定向長鉆孔與高位非定向鉆孔抽采了同一瓦斯源，高位定向長鉆孔抽采頂板采空區(qū)瓦斯，降低了高位非定向鉆孔瓦斯抽采流量，這種影響是有益的，為高位定向長鉆孔層位選擇提供了參考依據(jù)。

3.2 在吉寧礦2102工作面的應(yīng)用

(1)工作面概況。吉寧礦2102工作面主采2號煤層，該煤層位于山西組下部，頂板上部巖石成分基本為泥巖、粉砂巖、中粒砂巖等，煤層厚度在5.9～6.2m，平均厚6.05m。黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主。含夾矸一般為2層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，變異指數(shù)為0.09，屬于穩(wěn)定可采煤層。

(2)鉆孔施工情況。根據(jù)覆巖采動裂隙分布特征與吉寧礦工作面通風(fēng)特點(diǎn)，結(jié)合吉寧礦實(shí)際情況，在2102膠帶巷鉆場布置4個定向鉆孔，最深鉆孔達(dá)到702m，鉆孔孔徑均為203mm，終孔位置平面位于2102切眼往外36m處，剖面位置距離開孔高度為48m布置在泥巖中，各孔水平間距15m。

(3)瓦斯抽采效果分析。為綜合考察工作面上隅角瓦斯抽采治理效果，統(tǒng)計(jì)分析了鉆場內(nèi)4個鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，高位鉆孔瓦斯抽采流量隨抽采時間變化。經(jīng)觀測該鉆場平均單孔瓦斯抽采流量達(dá)到9.89m3/min，單孔最大抽采流量在30m3/min以上，抽采效果較好。同時，在高位定向長鉆孔介入前(30m以內(nèi))回風(fēng)巷各采集點(diǎn)的瓦斯?jié)舛容^高;介入后(30～100m)，瓦斯?jié)舛让黠@下降。其中，2102回風(fēng)巷風(fēng)流和巷口的瓦斯?jié)舛认陆当壤畲螅?.65%降為0.40%，抽采效果顯著。由此可見，應(yīng)用高位定向長鉆孔有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，為安全生產(chǎn)提供了保障。

4 工作面瓦斯綜合治理措施

煤礦瓦斯災(zāi)害治理工序并不是一定簡單的工作，通常是需要借助多個抽樣采集的方式加以輔助才可以確保煤炭資源挖掘工作的安全性。在充分的聯(lián)系瓦斯應(yīng)抽盡抽原則，并結(jié)合4901工作空間的現(xiàn)實(shí)狀況，初期預(yù)抽煤層瓦斯消除具有較高的危險系數(shù)，后期在實(shí)施整體治理的時候可以選擇統(tǒng)合采煤空間立體形式的瓦斯整體治理的形式，將地面與井下抽樣采集進(jìn)行融合，更好的提升工作的效率和質(zhì)量，換句話說就是利用各類不同形式來對回采工作空間內(nèi)的存在的瓦斯實(shí)施抽采。

4.1 傳統(tǒng)瓦斯治理措施

突出煤層4#煤工作面高位鉆孔均在進(jìn)風(fēng)巷施工。在工作面進(jìn)風(fēng)巷自切眼向外每隔80m施工一個高位鉆場，在鉆場內(nèi)施工高位、攔截鉆孔。高位鉆孔壓茬30m。當(dāng)工作面回采至高位鉆場10-15米時，必須將該處抽采鉆孔管路拆除，對鉆孔進(jìn)行封孔注漿，同時打開下一個高位鉆場的鉆孔抽采工作面瓦斯。該方式存在以下幾個問題：（1）在針對鉆孔以及進(jìn)風(fēng)通道結(jié)構(gòu)實(shí)施建造可以選擇平行施工的方法，但是安全管理工作的開展存在一定的困難。（2）鉆孔利用效率較差，工作空間回采延續(xù)到鉆場之前的十到十五米，鉆孔務(wù)必要將封孔結(jié)構(gòu)實(shí)施拆卸。（3）工作空間通過兩組鉆孔搭茬結(jié)構(gòu)的時候，抽采質(zhì)量較差，極易引發(fā)工作面瓦斯超出極限的情況（4）工作面高位鉆孔要求封孔至冒落帶以上，實(shí)際封孔效果不理想，鉆孔進(jìn)入采空區(qū)后形成瓦斯通道，易將中組煤卸壓瓦斯導(dǎo)入工作面，給工作面瓦斯管理帶來難度。

4.2 創(chuàng)新瓦斯治理措施

為避免工作面回采過程中出現(xiàn)上述4種問題，在工作面收作線外施工定向長鉆孔替代在進(jìn)風(fēng)巷施工高位鉆孔治理工作面瓦斯，避免了工作面過高位鉆場時的瓦斯隱患，提高了鉆孔利用率。在4901工作面停產(chǎn)線外的4#煤層鉆場，采用千米定向鉆機(jī)施工4個定向長鉆孔作為高位鉆孔，鉆孔終孔位于4#煤采高8-10倍，抽采工作面裂隙帶瓦斯，單孔深度700m，總工程量2800m。

5 結(jié)論

高位定向長鉆孔鉆場直接設(shè)在回風(fēng)巷，具有鉆孔層位布置靈活、目標(biāo)層位鉆遇率高、覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢，隨著煤礦井下定向鉆探技術(shù)裝備的發(fā)展，煤層頂、底板巖石鉆孔深度可達(dá)上千米，鉆孔直徑可達(dá)203mm，完全滿足了高位定向長鉆孔施工需求。多年的高位定向長鉆孔推廣應(yīng)用實(shí)踐表明，因各礦區(qū)巖層巖性特點(diǎn)、裂隙發(fā)育程度以及瓦斯賦存特性的差異性，鉆孔層位、鉆孔數(shù)量對鉆孔成孔率、上隅角瓦斯治理效果均有顯著影響。因此，煤礦企業(yè)首先需通過試驗(yàn)鉆孔摸清該采區(qū)頂板地層特征后，優(yōu)化布孔設(shè)計(jì)，以使高位定向長鉆孔在工作面上隅角瓦斯以及采空區(qū)瓦斯治理中達(dá)到理想抽采效果。同時，建議將多分支高位定向長鉆孔技術(shù)研究應(yīng)用于工作面上隅角瓦斯治理，縮短鉆孔施工周期，降低鉆孔施工成本，提高瓦斯綜合治理效果。