定向長鉆孔防治技術(shù)在煤層強突出危險區(qū)的應(yīng)用

劉昆，馮步云

定向長鉆孔防治技術(shù)在煤層強突出危險區(qū)的應(yīng)用

劉昆，馮步云

（淮南礦業(yè)集團平安工程院公司，安徽 淮南 232001）

隨著雙柳礦采掘活動向深部強突出危險區(qū)延伸，瓦斯地質(zhì)問題已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素，而傳統(tǒng)的底抽巷穿層短鉆孔效果差，消突效果難以保證。而采用底抽巷穿巖順層定向長鉆孔消突技術(shù)，大大提高了鉆孔利用率，減少了鉆孔工程量，煤層消突區(qū)域的殘余瓦斯含量、可解析瓦斯瓦斯量、殘余瓦斯壓力、K1值、鉆屑量、工作面瓦斯?jié)舛?、工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊雀黜椃劳粎?shù)指標(biāo)均達到相關(guān)要求，實現(xiàn)了煤層強突出危險區(qū)的采掘工作面在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下的安全、高效生產(chǎn)。

穿巖；定向鉆孔；消突效果；瓦斯

隨著我國煤炭開采深度的逐漸增加，面臨的瓦斯地質(zhì)問題也愈發(fā)突出，如煤層破壞程度高、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、瓦斯涌出量大等一系列問題。深部煤層開采前的瓦斯防治也成為礦井地質(zhì)工作的重點內(nèi)容之一[1]。傳統(tǒng)底抽巷穿層短鉆孔一般垂直煤層施工，鉆孔巖段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤段，抽采鉆孔利用率低、軌跡控制難、工程量較大、消突效果難以保證，而定向長鉆孔防治技術(shù)可以很好地解決該類問題[2-9]。

山西省河?xùn)|煤田中部雙柳煤礦屬突出礦井，目前開采3+4號煤層最大瓦斯壓力為2.4 MPa，破壞類型正常區(qū)域為Ⅱ～Ⅲ類，地質(zhì)破壞區(qū)域為Ⅳ～Ⅴ類，堅固性系數(shù)范圍為0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大為12.9 mmHg。礦井急需開展使用強突煤層定向長鉆孔消突技術(shù)替代傳統(tǒng)穿層短鉆孔消突技術(shù)的應(yīng)用和研究工作。

1 研究背景

1.1 巷道布置情況

本次研究區(qū)內(nèi)布置有三條巷道，分別是北翼瓦斯治理巷、區(qū)域瓦斯治理底抽巷、南翼瓦斯治理巷。區(qū)域瓦斯治理底抽巷布置在3+4號煤層下方10～15 m的巖層中，其他兩條巷道均布置在3+4煤層中。區(qū)域瓦斯治理底抽巷與南、北翼瓦斯治理巷的投影平面距離均為35 m，具體如圖1所示。

圖1 巷道布置示意圖

1.2 瓦斯地質(zhì)情況

3+4號煤層位于山西組下部，井田中、東部大部分地段與其上的3號煤合并，煤層厚2.00～4.11 m，平均厚度為3.54 m，屬厚煤層，全井田穩(wěn)定可采。該煤層為突出煤層，其煤塵爆炸指數(shù)為30.8%～40.9%，煤塵具有爆炸性，自然傾向性為Ⅲ級，不易自燃，破壞類型正常區(qū)域為Ⅱ～Ⅲ類，地質(zhì)破壞區(qū)域為Ⅳ～Ⅴ類，堅固性系數(shù)范圍為0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大為12.9 mmHg。在本區(qū)域內(nèi)，預(yù)測3+4號煤層原始瓦斯含量為12.8 m3/t，原始瓦斯壓力為2.08 MPa。

2 定向長鉆孔消突技術(shù)

在區(qū)域瓦斯治理底抽巷內(nèi)對千米鉆機鉆場進行施工，對上覆煤層中的南、北瓦斯治理巷的穿巖順煤層定向長鉆孔進行施工，即鉆機先從巖巷開鉆，穿過8～10 m的煤層底板巖石后進入煤層，并沿著煤層繼續(xù)鉆進，直至達到設(shè)計長度。然后進行條帶預(yù)抽消突，每個鉆場內(nèi)鉆孔設(shè)計長度均為450 m，終孔間距為7 m，每個鉆場設(shè)計鉆孔7～8個，鉆場與鉆場之間壓茬為100 m。每一評價單元鉆孔施工結(jié)束后預(yù)抽時間不低于6個月。

按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十九條規(guī)定，對于鉆孔控制回采巷道外側(cè)的范圍為：傾斜、急傾斜煤層巷道上幫輪廓線外至少20 m，下幫至少10 m；其他為巷道兩側(cè)輪廓線外至少各15 m。因焦煤集團規(guī)定外擴不小于20 m，因此在區(qū)域瓦斯治理底抽巷施工的穿煤層定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶，控制南翼瓦斯治理巷欲掘位置及其兩側(cè)20 m范圍的煤體。具體鉆孔設(shè)計參數(shù)及布置如圖2所示。

圖2 區(qū)域瓦斯治理底抽巷區(qū)域預(yù)抽南、北翼瓦斯治理巷鉆孔布置圖

與傳統(tǒng)穿層短鉆孔的方案相比較，以450 m的煤巷條帶消突單元為例，穿巖順層定向長鉆孔需布置一組7個鉆孔，工程量為3 150 m，傳統(tǒng)穿層短鉆孔每隔5 m施工一組鉆孔，需要施工90組鉆孔，每組9個鉆孔，每組鉆孔工程量約

418 m，總鉆孔工程量為37 620 m。上述數(shù)據(jù)對比表明：采用穿巖順層定向長鉆孔消突技術(shù)提高了鉆孔利用率，大幅減少了鉆孔工程量，降低了礦井瓦斯治理成本。

本文采用的鉆機為ZDY-6000LD（奧鉆）履帶式鉆機。在施工過程中，第一次開鉆采用Φ96 mmPCD鉆頭鉆至10 m，退鉆換Φ180 mmPDC擴孔鉆頭擴至10 m退鉆，下入10 m長4寸（1寸≈3.33 cm）封孔鐵管固管后，采用膨脹水泥進行孔內(nèi)高壓注漿，封堵管外與孔壁之間的間隙。第二次開鉆采用Φ96 mmPCD鉆頭+下無磁鉆桿+孔底馬達+測量短節(jié)+上無磁鉆桿+Φ73 mm通訊鉆桿鉆具組合，開始正常定向鉆進。正常定向鉆進時，每施工6 m測定一次孔底的參數(shù)，根據(jù)測定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，調(diào)整鉆進方向，力求鉆孔按照設(shè)計軌跡和要求鉆進。測定數(shù)據(jù)可根據(jù)鉆孔施工探頂板實際情況調(diào)整測量距離。

3 區(qū)域消突效果考察

3.1 抽采評價單元的評判參數(shù)指標(biāo)

通過抽采達標(biāo)劃定的評判區(qū)域，經(jīng)計算，北翼瓦斯治理巷底板穿層定向長鉆孔預(yù)抽掩護區(qū)域各項指標(biāo)符合抽采達標(biāo)評判要求，具體情況如下：①預(yù)抽時間13個月，符合要求；②殘余瓦斯含量最大為4.71 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量為3.31 m3/t，符合要求；③通過計算殘余瓦斯壓力均小于0.74 MPa，符合要求。

通過抽采達標(biāo)劃定的評判區(qū)域，經(jīng)計算，南翼瓦斯治理巷底板穿層定向長鉆孔預(yù)抽掩護區(qū)域各項指標(biāo)符合抽采達標(biāo)評判要求，具體情況如下：①預(yù)抽時間10個月，符合要求；②殘余瓦斯含量最大為4.6 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量為3.42 m3/t，符合要求；③通過計算殘余瓦斯壓力均小于0.74 MPa，符合要求。

3.2 防突有關(guān)規(guī)定的其他參數(shù)指標(biāo)

為了進一步驗證消突效果，對掘進期間南、北翼瓦斯治理巷進行了跟蹤考察，結(jié)果表明，南、北瓦斯治理巷相應(yīng)的K1值、鉆屑量、工作面瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)指標(biāo)均符合防突有關(guān)規(guī)定要求。

4 結(jié)論

底抽巷穿巖順煤層定向長鉆孔消突技術(shù)為解決無卸壓松軟低透煤層瓦斯治理難題提供了新的方法。經(jīng)過不少于6個月的抽采，煤層消突區(qū)域的各項防突參數(shù)指標(biāo)均符合相關(guān)要求，實現(xiàn)了煤層強突出危險區(qū)的采掘工作面在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下的安全生產(chǎn)。底抽巷穿巖順煤層定向長鉆孔的軌跡可控，鉆孔利用率得到提高，鉆孔工程量大幅減少，經(jīng)濟效益和社會效益可觀，實現(xiàn)了礦井的高效生產(chǎn)。

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TD163

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.065

2095－6835（2019）13－0148－02

劉昆（1987—），男，本科學(xué)歷，工程師，主要從事煤礦瓦斯地質(zhì)方面的工作。

〔編輯：王霞〕