煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究

文/吳劉洋 羅 虎

水害及瓦斯是影響煤礦安全生產的重大威脅。近年來，隨著礦井開采深度的增加，地質條件越來越復雜，煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量隨之增加，煤礦安全生產形勢變得更加嚴峻，針對水害與瓦斯災害的治理手段及措施要求也更加細致、嚴格，導致礦井的開采成本越來越高，開采效率越來越低。為解決這一問題，安徽恒源股份有限公司祁東煤礦基于水害、瓦斯災害治理思路，在祁東煤礦8237工作面進行了煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究及實驗施工，有效解決了水害、瓦斯治理與降低開采成本、提高開采效率相矛盾的問題，為礦井水害及瓦斯治理提供了有益借鑒。

一、概況

1.礦井概況

祁東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，水文條件為極復雜型，主采的32、61、71、82、9煤均為突出煤層。礦井設計年產量為180萬t/a，采用兩個水平開采，一水平標高為-420～-600m（風氧化帶下限～回采上限單獨統計），二水平標高為-600～-800m。

2.工作面概況

8237工作面位于井田東翼一水平三采區(qū)，該區(qū)域地質條件簡單，整體為一單斜構造，傾向在北西向與北東向之間，傾角為10°～15°之間，平均13°，工作面平均傾向寬203m，走向長1550m。8237工作面布置在7135、7137工作面卸壓保護范圍內，實測工作面最大殘余瓦斯含量5.1438m3/t，下伏9煤距82煤法距約10m，9煤在該范圍受巖漿巖侵蝕，純煤厚0.96～1.65m，原始瓦斯含量10.95m3/t。

3.探查及瓦斯治理的必要性

根據《安徽省煤礦防治水和水資源化利用管理辦法》（皖經信煤炭[2017]218號）文件規(guī)定，存在陷落柱突水威脅的區(qū)域，水文地質條件類型為復雜及以上的礦井的新水平、新采區(qū)掘進時，必須同時采用物探、鉆探等方法循環(huán)探查工作面前方及頂（底）板富水情況，發(fā)現異常立即停止作業(yè)。8237風巷、機巷及切眼在掘進施工前必須進行超前探查。

8237工作面采取切頂卸壓沿空留巷技術，“Y”型通風方式進行通風，工作面回采期間瓦斯主要來源：一是工作面裸露煤壁涌出的瓦斯；二是回采過程中落煤瓦斯；三是采空區(qū)內遺落煤中解吸出來的瓦斯；四是下伏9煤卸壓瓦斯。

采取分源法預測工作面瓦斯涌出量，下伏9煤卸壓瓦斯占工作面總瓦斯涌出量的比例高達68.4%，在回采過程中下鄰近層9煤受采動影響產生卸壓瓦斯，通過升浮擴散及滲流的作用，從下部通過底板影響帶的裂隙向上部擴散進入采空區(qū)，工作面回采期間大量9煤卸壓瓦斯從采空區(qū)和綜采支架架間涌出，嚴重制約工作面安全回采。只要8237工作面下伏9煤卸壓瓦斯能夠得到有效治理，就能保證工作面安全高效回采。

二、鉆場及鉆孔布置

1.鉆場布置

為使鉆孔在底板中開孔施工，選擇在三采區(qū)東翼1#瓦斯抽采巷聯巷及8237機巷內施工鉆場。三采區(qū)東翼1#瓦斯抽采巷聯巷鉆場位于82煤底板、9煤頂板，8237機巷鉆場在巷道上幫按坡度0°施工，鉆場長×寬×高=12m×5.5m×2.6m。

2.鉆孔布置

鉆孔布置在煤層底板砂質泥巖中，距下伏9煤頂板法距2～5m，控制到風巷向上30m，風巷向下90m，鉆孔沿煤層傾向方向間距30m，鉆孔孔深500～550m。

（1）鉆孔施工。三采區(qū)東翼1#瓦斯抽采巷聯巷定向鉆場內鉆孔采用ZDY12000LD型全液壓坑道定向鉆機施工，8237機巷定向鉆孔選用ZDY6000LD（B)型全液壓坑道定向鉆機施工。

鉆孔開孔孔徑Φ120mm，施工至不小于21m不大于25m孔深后改用Φ193mm鉆頭擴孔，并埋設Φ146mm、有效長度不小于20m的單層地質管，套管壁厚不小于6.0mm，在套管孔口處加設法蘭盤，安裝孔口閘閥。用水灰比1:1水泥漿液進行注漿固管，養(yǎng)護期不小于72小時，養(yǎng)護期滿后做耐壓試驗，壓力不小于8.1Mpa，且穩(wěn)定時間不少于30min。耐壓試驗結束后采用定向鉆進技術將鉆孔施工至設計要求位置。

（2）鉆孔壓裂。鉆孔終孔后反復沖洗，將孔內鉆屑盡可能沖出孔外，孔口安裝注漿盤，利用2ZBQ-10/16型風動注漿泵將靜壓水加壓通過注漿管壓入孔內，對鉆孔進行反復壓裂，壓裂后孔內下入鉆具采用壓風吹凈孔內積水。全部完成后并入抽采系統進行抽采。

三、煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術

為達到一孔多用的目的，在工作面區(qū)段采掘活動前施工鉆場沿著煤層底板向切眼方向布置定向長鉆孔，進行超前探查及瓦斯抽采。在采掘活動前后，定向長鉆孔起到超前探查、采前預抽、采中攔截臨近層卸壓瓦斯作用。

1.超前探查

定向長鉆孔在掘進活動前，首先作為超前探查鉆孔探清工作面前方底板富水、地質構造等情況，發(fā)現異常立即停止作業(yè)。

2.采前預抽

對定向長鉆孔利用高壓水進行壓裂，使煤層底板及下伏煤層頂板原生裂隙及次生裂隙張開，裂隙之間相互溝通，通過多次重復壓裂沖洗，促進裂隙延伸，在高負壓抽采的狀態(tài)下，本煤層及下伏煤層瓦斯通過裂隙滲透至鉆孔，最終被抽送至地面進行利用，進一步降低了煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量。

3.采中攔截臨近層卸壓瓦斯

在工作面回采過程中由于圍巖及臨近層卸壓，裂隙大量發(fā)育，工作面下伏9煤瓦斯大量解吸，定向長鉆孔這時起到了攔截臨近層瓦斯的作用，回采時下臨近層瓦斯涌出量減少，保證工作面安全高效回采。

四、效果分析

1.超前探查效果

通過對8237風巷進行超前探查，查明了巷道底板及側幫底板水文地質情況，且各孔施工期間均未出水，無水文異常情況，保證巷道安全掘進。

2.采前抽采效果

鉆孔通過使用高壓水進行壓裂后，鉆孔的抽采濃度由未壓裂時的2%～7%增加到壓裂后的62%～86%，單孔抽采純量由接近0上升到0.26m3/min。

3.采中攔截臨近層卸壓瓦斯效果預測

參照8231工作面下伏9煤定向攔截卸壓瓦斯鉆孔的抽采效果，單孔最大抽采濃度90%，最大抽采純量3.09m3/min。采取施工定向攔截卸壓瓦斯鉆孔治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均在50%以上，工作面最大回風瓦斯?jié)舛冉档?.5%以下，上隅角瓦斯?jié)舛扔深l繁超限降到0.8%以下，瓦斯治理效果十分明顯。

4.工程效果

鉆孔施工工效高、安全風險低，避免普通鉆機施工時搬家挪移頻繁帶來的安全問題；鉆孔工程量小、節(jié)省大量材料費用，將超前探查鉆孔與瓦斯治理鉆孔相結合，通過定向鉆機進行施工，工程量降低62%，工程費用降低43.7%；常規(guī)鉆孔進行探查需停止迎頭掘進工作，每次探查施工時間需15天，整個巷道共需探查7次，利用機巷鉆場對風巷進行探查可提前施工，無需停止風巷掘進工作，減少影響時間。

五、結論

通過對煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究及試驗施工，并對施工效果進行綜合分析可知，此項技術無論在安全效果、工程費用、抽放效果，還是在工程量方面，相對傳統施工方案都具有極大的優(yōu)勢，持續(xù)應用后將成為煤礦水害及瓦斯治理和降本增效的一項有效舉措。