高位定向鉆孔技術(shù)的實踐應(yīng)用研究

余鵬飛

（山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048300）

1 問題的提出

傳統(tǒng)治理煤層回采卸壓瓦斯的方式有高位巷抽放、高位鉆孔和上隅角大管徑預(yù)留管抽放技術(shù)。高位巷道施工周期長、費用高，噸煤開采成本高。高位鉆孔一般較短，一個回采面需要施工的高位鉆孔數(shù)量多、鉆場多、進尺數(shù)量大，無用進尺所占比例大，在瓦斯富集區(qū)無法控制，過鉆場期間存在安全隱患。大管徑預(yù)留管抽采濃度低，頂板塌陷過程可能造成管路損壞，影響抽采效果，導致安全隱患。

針對目前我國山西地區(qū)采用高位巷鉆孔治理采空區(qū)卸壓瓦斯鉆孔數(shù)量多、鉆孔利用率低的問題，引進定向鉆進技術(shù)與裝備，開展高位定向鉆孔治理采空區(qū)瓦斯技術(shù)研究，提高復雜地層下鉆孔成孔率和利用率，開發(fā)對應(yīng)的擴孔技術(shù)與瓦斯抽采技術(shù)，提高單孔瓦斯抽采效果，從而實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟地利用高位定向孔治理采空區(qū)瓦斯。

高位定向孔技術(shù)可精確控制主孔軌跡分布在采空區(qū)瓦斯富集層帶中，并開梳狀分支孔進入煤層上部冒落帶，甚至煤層中。當煤層回采后，卸壓瓦斯可通過裂隙及分支孔運移至主孔中進而被抽出。最終利用定向鉆進技術(shù)施工高位定向孔代替高抽巷和采面留管抽采采空區(qū)的卸壓瓦斯，降低采面上隅角瓦斯?jié)舛?，保障工作面回采工作的安全，降低開采成本，提高經(jīng)濟效益。

2 地質(zhì)概況

山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司位于晉城陵川縣楊村鎮(zhèn)嶺北底村，20411工作面北東為一盤區(qū)皮帶巷、輔助運輸大巷、回風巷及實煤區(qū)。該工作面煤層結(jié)構(gòu)較復雜，煤層全厚6.62m，純煤厚5.16m，含1～5層夾矸，夾矸為0.05～1.45m，平均為0.29m，局部有2#層煤層賦存，煤厚在0.94～2.63m，平均為1.95m。3#層與上覆2#層層間距為0.40～1.75m，平均為1.17m，傾角2°～15°，屬近水平煤層。煤巖類型以暗淡型為主，煤種為氣煤。位于下層的20413工作面已開采，上層30021工作面未開采。經(jīng)預(yù)測20411工作面在回采期間瓦斯涌出量為51.7m3/min，全負壓U型上行通風。

3 高位定向鉆孔設(shè)計

3.1 布孔方法

在鉛垂面上，主孔大部分孔段位于巷道頂板上方裂隙帶，取導水裂隙層上方2～5m處。主孔傾角≥2°，傾角變化≤105°，分支點間距一般設(shè)置在50m左右，分支孔相對主孔傾角降幅≤20°。針對20411工作面回采巷道，為提高卸壓瓦斯抽采效果，采用最近鉆孔距回風巷Z，鉆孔距回風巷S（約采面煤層回采寬度的1/4），鉆孔間距d（約4～6m）。

根據(jù)裂縫帶高度計算公式計算可知，鉆孔終孔點距離頂板垂高為22m、25m，鉆孔參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1 鉆孔參數(shù)設(shè)計表

3.2 施工方法

采用“后退式”施工工藝來進行抽放瓦斯作業(yè)，當主鉆孔施工完成后退鉆時向下施工分支鉆孔。

3.3 封孔及觀測方式

鉆孔全部施工完成后，采用3m的4寸鐵管插入鉆孔，并用棉紗加瑪麗散封堵鐵管與孔壁周圍空隙，利用4寸埋絲管將鐵管連接分流器，進而連接到14寸主管至地面永久瓦斯泵房進行聯(lián)網(wǎng)抽采。在抽采過程中采用束管觀測法對單孔瓦斯?jié)舛冗M行觀察。

3.4 技術(shù)特點

高位定向孔能精確控制鉆孔軌跡位于卸壓瓦斯富集層位，相對于傳統(tǒng)高位孔（一般小于150m，大傾角，位于卸壓瓦斯富集層位孔段少，鉆孔數(shù)量多，回風巷處每隔80m需一鉆場）抽采效果更高、鉆孔更深（一般大于500m），覆蓋范圍廣（單孔），實現(xiàn)瓦斯大區(qū)域治理目的，相對于高位巷節(jié)省了大量巷道施工、經(jīng)濟、時間成本。

4 抽采效果分析

20411 工作面從2017年9月3日進行試采，對鉆孔的觀測時間是從10月3日至11月2日，期間工作面推進121m。對主管瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進行處理得到圖1所示曲線。

圖1 主管瓦斯?jié)舛茸兓€

從圖1可知，在觀測期間，高位鉆場抽采濃度最高達48%，長期穩(wěn)定在35%左右，抽采純量為22.7m3/min，大大提高了抽采效率。主要效果表現(xiàn)如下：

（1）定向鉆孔單孔抽放濃度由原來10%左右提高到30%～60%。

（2）取代了傳統(tǒng)的高位抽放巷，減少了高位鉆場的施工數(shù)量，減少瓦斯抽放管數(shù)量，有效降低了采面上隅角瓦斯?jié)舛龋瑸椴擅姘踩?、高效生產(chǎn)提供了保障。

（3）高位定向鈷孔孔徑大，深度長，鉆孔軌跡可控，可在主孔內(nèi)施工定向分支孔減少鉆孔的施工量，提高了抽采效率。

（4）通過實施高位定向孔替代高抽巷及高位鉆孔，減少采面瓦斯抽放管趟數(shù)，減小采面瓦斯抽采管理難度，每年可節(jié)省成本500余萬元。

（5）定向鉆孔工藝還可使用在煤礦井下精確探放水方面。

5 結(jié)語

崇安關(guān)嶺山煤業(yè)20411工作面的高位定向鉆孔技術(shù)的實踐應(yīng)用效果表明，該技術(shù)能將單孔抽放濃度從10%左右提高到30%～60%，提高了瓦斯抽采效果，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟效益。本次對于高位定向鉆孔技術(shù)的實踐應(yīng)用項目是成功的、合理的。

崇安關(guān)嶺山煤業(yè)還在繼續(xù)對復雜地層條件下高位定向孔成孔工藝技術(shù)進行研究，研究探索在復雜地層條件下高位定向孔成孔工藝技術(shù)，通過研發(fā)并使用定向孔防塌劑、注漿、下套管等工藝技術(shù)措施使其在過斷層、破碎帶時能夠降低孔內(nèi)事故發(fā)生的概率，總結(jié)出一套應(yīng)對復雜地層鉆進的鉆孔事故預(yù)防及處理規(guī)范。同時不斷探索高位定向孔的主孔及分支孔布孔方式與瓦斯抽采濃度及抽采純量之間的關(guān)系，尋找出一套適合于該礦的采空區(qū)卸壓瓦斯抽采的最佳布孔方法。