以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)體系應(yīng)用

陶云奇，張 帆，吳金剛，李國(guó)棟，于 紅，3

（1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州451191；2.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司 趙固二礦，河南 新鄉(xiāng)451300；3.永城煤電控股有限責(zé)任公司，河南 永城476600）

隨著煤炭開采向深部延伸，地應(yīng)力、瓦斯均逐漸增大，低瓦斯煤層將逐漸演變?yōu)楦咄咚够蛎号c瓦斯突出煤層[1-7]。2011 至2016 年間國(guó)內(nèi)因各類煤礦事故死亡2 783 人，其中瓦斯事故死亡1 666 人，占總死亡人數(shù)的59.86%，說明瓦斯災(zāi)害是制約礦井安全高效生產(chǎn)的重要瓶頸[8-11]。目前，諸多專家學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯災(zāi)害治理進(jìn)行了大量深入的研究，取得了良好的效果[12-14]。現(xiàn)行的瓦斯治理技術(shù)主要有：底板巖抽巷+穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯[15-17]、高位抽采巷抽采工作面采空區(qū)和鄰近層瓦斯[18]、順層鉆孔抽采區(qū)段煤層瓦斯[19]等，存在施工成本高、工程量大、瓦斯治理費(fèi)用高等缺陷，所以對(duì)瓦斯治理成本既低又能達(dá)到同樣效果的新技術(shù)需求強(qiáng)烈。以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)正是針對(duì)碎軟低滲突出煤層瓦斯治理提出的新技術(shù)，其核心是以鉆孔代替巖抽巷，采用長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯。鑒于此，系統(tǒng)分析了以孔代巷技術(shù)涵義、技術(shù)特征、適用條件、技術(shù)模式等方面，提出了以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)體系，開展了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，以期為區(qū)域瓦斯治理提供新的途徑。

1 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)體系

1.1 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)涵義

以孔代巷區(qū)域抽采瓦斯技術(shù)在抽采地質(zhì)精細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采用千米定向鉆機(jī)或配有隨鉆測(cè)斜裝置的大功率常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在煤層或煤層頂/底板中施工超長(zhǎng)鉆孔，通過實(shí)施卸壓增透技術(shù)高效抽采瓦斯，并輔以可靠的區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以鉆孔代替巖石抽采巷的目的。其關(guān)鍵技術(shù)主要有：基于抽采地質(zhì)精細(xì)分析的煤與瓦斯共采設(shè)計(jì)、復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)保障孔技術(shù)及裝備、長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采靶向增產(chǎn)技術(shù)及裝備、長(zhǎng)鉆孔區(qū)域瓦斯抽采評(píng)價(jià)技術(shù)及裝備。

1.2 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)特征

1）可行性評(píng)估。首先對(duì)實(shí)施區(qū)域進(jìn)行抽采地質(zhì)精細(xì)分析，評(píng)估其采用以孔代巷技術(shù)的可行性。

2）定向鉆進(jìn)。鉆孔施工必須能夠定向或配套有隨鉆測(cè)斜裝備，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，確保鉆孔按設(shè)計(jì)施工到位，且孔與孔之間不串孔。

3）定位增透。對(duì)透氣性差的煤層，必須采取適宜的定位擾動(dòng)增透措施，提高瓦斯抽采效率，確保在預(yù)抽期內(nèi)抽采達(dá)標(biāo)。

4）定量抽采。瓦斯抽采過程實(shí)施在線計(jì)量，通過瓦斯抽采量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)定量抽采，確保評(píng)價(jià)前的抽采量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5）定點(diǎn)取樣、定區(qū)評(píng)價(jià)。必須配套深孔瓦斯含量定點(diǎn)保壓測(cè)試技術(shù)，建立抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣和定區(qū)評(píng)價(jià)，確保抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判可靠。

1.3 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）通過煤與瓦斯共采設(shè)計(jì)優(yōu)化，以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)可貫穿應(yīng)用于工作面采前、采中、采后瓦斯治理各個(gè)環(huán)節(jié)。

2）該技術(shù)依托千米定向鉆機(jī)或配有隨鉆測(cè)斜裝備的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，可確保鉆孔施鉆到位，不留空白帶，實(shí)施超前預(yù)抽。

3）針對(duì)不同的煤層瓦斯賦存條件采取與之適宜的定位增透增產(chǎn)措施，可有效提高瓦斯抽采效率。

4）煤層長(zhǎng)鉆孔密閉保壓取樣技術(shù)和定量抽采統(tǒng)計(jì)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯抽采定區(qū)評(píng)價(jià)和抽采評(píng)判可靠。

5）僅在煤巷條帶瓦斯治理方面，與底板巖抽巷+穿層鉆孔預(yù)抽技術(shù)相比，預(yù)計(jì)可縮短瓦斯治理時(shí)間30%左右、減少區(qū)域瓦斯治理巖巷工程量60%以上，減少瓦斯抽采鉆孔工程量60%左右，降低噸煤瓦斯治理成本50%左右。

1.4 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)適用條件

1）對(duì)于煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤的堅(jiān)固性系數(shù)大于1.0 的煤體，可采用千米定向鉆機(jī)直接施工本煤層順層鉆孔（孔深500 m 以上）抽采煤層瓦斯。

2）對(duì)于煤層賦存較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤的堅(jiān)固性系數(shù)在0.5～1.0 之間的煤體，依據(jù)實(shí)際情況可選擇采用千米定向鉆機(jī)或大功率常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工圍巖梳狀鉆孔或本煤層順層鉆孔（孔深300 m 以上）抽采煤層瓦斯。

3）對(duì)于煤層賦存不穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤的堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5 的煤體，可采用千米定向鉆機(jī)施工圍巖順層鉆孔或圍巖梳狀鉆孔抽采煤層瓦斯。

1.5 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)模式

對(duì)工程進(jìn)行抽采地質(zhì)精細(xì)分析，在評(píng)估其地質(zhì)條件采用以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，按照抽采地質(zhì)條件、鉆孔類型、配套鉆機(jī)、強(qiáng)化抽采措施等條件，建立了以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)模式，以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)模式見表1。

表1 以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)模式Table 1 Technical mode of borehole instead of tunnel for regional gas drainage

2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

趙固二礦屬于煤與瓦斯突出礦井，開采深度為-500～-1 500 m 標(biāo)高，設(shè)計(jì)能力180 萬t/a，礦井主采二1 煤煤層傾角2°～6°，煤層厚度4.73～6.77 m，為近水平單一厚煤層，煤層堅(jiān)固性系數(shù)1.4～2.8，煤體結(jié)構(gòu)大多屬于Ⅱ類煤。地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，開采技術(shù)條件相對(duì)簡(jiǎn)單。

試驗(yàn)地點(diǎn)為11060 工作面，位于礦井I 盤區(qū)西部，北側(cè)主要為I 盤區(qū)底板措施巷等3 條盤區(qū)大巷以及F17-1斷層，東側(cè)為正在回采的11041 工作面，南鄰F18斷層，西側(cè)為未開采區(qū)域。工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 131 m，運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 293 m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度205 m，工作面頂板標(biāo)高-660～-752 m，平均煤厚6.3 m，傾角4°～6°，密度1.52 t/m3，儲(chǔ)量356 萬t。工作面煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，間接頂為細(xì)～粗粒砂巖，底板多為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖，偶見炭質(zhì)泥巖，底板距離L2、O2含水層較近，水壓較高。試驗(yàn)采用定向鉆機(jī)于11060 工作面回風(fēng)巷底抽巷統(tǒng)尺627 m 鉆場(chǎng)施工穿層定向長(zhǎng)鉆孔4個(gè)主孔，13 個(gè)主分支孔；底抽巷統(tǒng)尺480 m 位置補(bǔ)充施工穿層定向長(zhǎng)鉆孔2 個(gè)主孔，11 個(gè)主分支孔，控制鉆孔前方抽采空白區(qū)域。

2.2 試驗(yàn)效果

利用定向鉆機(jī)在巷道627 m 處鉆場(chǎng)內(nèi)施工定向長(zhǎng)鉆孔，共施工4 個(gè)主孔，13 個(gè)主分支孔，鉆孔總進(jìn)尺9 087 m（巖孔段209 m）；在巷道480 m 處鉆場(chǎng)內(nèi)施工定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽11060 底抽巷里段上方空白條帶煤層瓦斯（走向約450 m，傾向64.5 m 范圍），鉆孔總計(jì)進(jìn)尺2 481 m（巖孔段105.5 m），定向鉆孔平面圖如圖1。

圖1 定向鉆孔平面圖Fig.1 Plane graph of directional borehole

為選擇合理的抽采負(fù)壓，進(jìn)行了不同負(fù)壓條件下的抽采效果考察，不同時(shí)間段千米鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁咳鐖D2。由圖2 可知，抽采濃度和抽采純量隨著負(fù)壓的增大而增加，但并不穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)壓超過30 kPa 以后，抽采濃度和抽采純量不再有明顯的增加；當(dāng)負(fù)壓在15 kPa 左右時(shí)，抽采純量能夠穩(wěn)定在較高層位，抽采經(jīng)濟(jì)效率最好。因此，確定定向長(zhǎng)鉆孔抽采負(fù)壓約15 kPa。

圖2 瓦斯抽采濃度和流量Fig.2 Drainage concentration and flow

此外，針對(duì)前期瓦斯抽采效果不理想的問題，采用N2實(shí)施了氣驅(qū)增透提效技術(shù)。瓦斯抽采濃度分別為：①第1 周（10 月17 日至23 日）1#、2#、3#、4#同時(shí)抽采，氣流較為紊亂，濃度波動(dòng)大；②第2 周（10 月24 日至30 日）4#孔壓風(fēng)，1#、2#、3#抽采，濃度略為平穩(wěn)，略有降低；③第3 周（10 月31 日至11 月6 日）1#孔壓風(fēng)，2#、3#、4#抽采，濃度變化趨于平穩(wěn)，略有降低；④第4 周（11 月7 日至13 日）2#孔壓風(fēng)，1#、3#、4#抽采，濃度變化略為紊亂，但時(shí)有升高；第5 周（11月14 日至20 日）3#孔壓風(fēng)，1#、2#、4#抽采，濃度升高較為明顯。因此，以3#孔壓風(fēng)，1#、2#、4#抽采的抽采方式相對(duì)理想，瓦斯抽采效果最好。

在第1 個(gè)月1#孔施工完畢后進(jìn)行連抽，第4 個(gè)月4 個(gè)主分支孔全部接入抽采系統(tǒng)，至第13 個(gè)月累計(jì)抽出瓦斯32.57 萬m3。鉆孔平均抽采濃度為2.15%～10.72%，抽采純量0.17～1.01 m3/min，平均抽采純量為0.60 m3/min，平均日抽采純量為857.15 m3/d，最大日抽采純量為2 563 m3/d。第1 個(gè)月至第3 個(gè)月受施工、煤層涌水等因素影響，抽采濃度普遍偏低，自第6 個(gè)月通過注氣驅(qū)替增產(chǎn)后，抽采效果明顯提高，平均單日抽采純量超過1 000 m3，通過氣驅(qū)鉆孔抽采純量提高了20%～30%，增透效果明顯。

為驗(yàn)證定向鉆孔內(nèi)的瓦斯含量是否達(dá)標(biāo)，采用深孔定點(diǎn)密閉取樣裝置對(duì)煤樣進(jìn)行取心，并在11060 回風(fēng)巷650～1 180 m 巷道掘進(jìn)期間，利用常規(guī)鉆機(jī)在已掘巷道上下幫施工驗(yàn)證取樣孔，采用風(fēng)排粉孔口接樣方式采集部分定點(diǎn)密閉取心測(cè)點(diǎn)附近煤樣，進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)過掘進(jìn)期間對(duì)比取樣驗(yàn)證，大直徑超深鉆孔定點(diǎn)密閉取樣技術(shù)可靠，間接計(jì)算評(píng)判區(qū)最大殘余瓦斯含量為5.9 m3/t，小于6 m3/t，最大相對(duì)瓦斯壓力為0.192 MPa，小于0.6 MPa，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

此外，對(duì)比了底板穿層鉆孔、以孔代巷2 種瓦斯區(qū)域治理模式的經(jīng)濟(jì)效益，不同瓦斯區(qū)域治理模式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表2。由表2 可知，以孔代巷模式的成本僅是底板穿層鉆孔治理模式的15.01%，瓦斯區(qū)域治理成本減少76.03 元/t，僅11060 工作面即可節(jié)約區(qū)域瓦斯治理費(fèi)用13 685.28 萬元。更為重要的是，以孔代巷模式比底板穿層鉆孔治理模式少用14個(gè)月，這對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)“采、掘、抽”良性循環(huán)更具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 不同瓦斯區(qū)域治理模式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 2 Contrast of economic benefits of different regional gas control modes

3 結(jié) 論

1）圍繞以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)涵義、技術(shù)特征、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、適用條件及技術(shù)模式等5 個(gè)方面，系統(tǒng)介紹了以孔代巷區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)體系所包含的內(nèi)容，明確指出了該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)須嚴(yán)格遵循“五定”技術(shù)原則。

2）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)壓在15 kPa 左右時(shí)，抽采純量能夠穩(wěn)定在較高層位，抽采經(jīng)濟(jì)效率最好。在采用注氣驅(qū)替增產(chǎn)后，瓦斯抽采效果明顯提高，累計(jì)抽出瓦斯量32.57 萬m3，平均日抽采純量超過1 000 m3，通過氣驅(qū)鉆孔抽采純量提高了20%～30%，增透效果明顯。

3）對(duì)比了底板穿層鉆孔、以孔代巷2 種瓦斯區(qū)域治理模式的經(jīng)濟(jì)效益，以孔代巷模式的成本僅是底板穿層鉆孔治理模式的15.01%，以孔代巷模式比底板穿層鉆孔治理模式少用14 個(gè)月，更有利于礦井實(shí)現(xiàn)“采、掘、抽”的良性循環(huán)。