千米定向鉆機(jī)在大寧煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用

李路廣，李向陽(yáng)，魏路浩，原 崗，谷要帥，楚志剛，別書(shū)滿

(山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048100)

隨著井工礦井開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，開(kāi)采煤層條件日趨復(fù)雜，礦井瓦斯涌出量不斷增大，突出礦井?dāng)?shù)量不斷增多，如山西晉城礦區(qū)突出礦井?dāng)?shù)量已占區(qū)域礦井總數(shù)量的三分之一，同時(shí)瓦斯、突出事故在煤礦安全事故中的比例也在逐年攀升[1]。現(xiàn)階段在高瓦斯、突出礦井的生產(chǎn)過(guò)程中，“鉆孔瓦斯抽采”成為了礦井瓦斯治理、突出防治的主要措施。目前國(guó)內(nèi)外瓦斯抽采鉆孔布置主要有本煤層鉆孔、穿層鉆孔。而現(xiàn)有通用瓦斯抽采技術(shù)主要采用密集短鉆孔施工，該施工方法存在有效鉆孔占比低、鉆機(jī)搬家頻繁、抽采管路布置工程量大等缺點(diǎn)，同時(shí)因鉆孔軌跡不可控，易造成未知空白帶，存在一定的瓦斯、突出事故風(fēng)險(xiǎn)。

大寧煤礦作為國(guó)內(nèi)優(yōu)先引進(jìn)澳大利亞VLD深孔千米定向鉆機(jī)并試用成功的礦井，充分利用千米定向鉆機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)、施鉆效率高、質(zhì)量可靠、過(guò)程可溯等優(yōu)點(diǎn)[2]，先后在本煤層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯、預(yù)抽回采區(qū)煤層瓦斯、預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，頂板穿層鉆孔抽采上隅角、采空區(qū)瓦斯，底板穿層鉆孔預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)煤層瓦斯、預(yù)抽開(kāi)拓煤巷條帶煤層瓦斯等方面進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)和應(yīng)用[3]，截至2020年底累計(jì)施工定向鉆孔600萬(wàn)m，礦井連續(xù)多年實(shí)現(xiàn)零超限、零突出、零動(dòng)力現(xiàn)象的“三零”目標(biāo)[4]。

1 礦井瓦斯概況及定向鉆機(jī)應(yīng)用

大寧煤礦位于沁水煤田東部南段，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/a，批準(zhǔn)開(kāi)采3號(hào)煤層，開(kāi)采水平+485m，埋深200～450m，采用斜井開(kāi)拓方式，3號(hào)煤層位于二疊系下山西組下部，煤層平均厚度約4.45m，近水平煤層，屬中等變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，中灰、低硫、高發(fā)熱量，是優(yōu)質(zhì)的化工及動(dòng)力用煤，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層頂板為粉砂巖、泥巖或砂巖；底板為泥巖或粉砂巖。煤層自燃等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為不易自燃煤層。2012年被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，煤層瓦斯基本參數(shù)具體見(jiàn)表1，瓦斯抽放難易程度屬可以抽放～容易抽放類(lèi)型[5]。2020年測(cè)定礦井相對(duì)瓦斯涌出量為26.89m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為207.71m3/min，約95%來(lái)源于3號(hào)煤層的開(kāi)采。

表1 大寧煤礦3號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)

2003年至今先后采購(gòu)7臺(tái)千米定向鉆機(jī)，以解決礦井瓦斯治理、突出防治問(wèn)題。根據(jù)礦井防治煤與瓦斯突出專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，采用“三巖一煤”開(kāi)拓大巷布置，即：在突出煤層頂板布置三條開(kāi)拓巖巷，在巖巷的掩護(hù)下掘進(jìn)一條開(kāi)拓煤巷。礦井采用盤(pán)區(qū)式準(zhǔn)備方式，一采區(qū)現(xiàn)已回采結(jié)束，二、三采區(qū)為生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)，四、五采區(qū)為開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)。

現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)共布置一個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面、兩個(gè)綜掘機(jī)掘進(jìn)工作面和兩個(gè)連采機(jī)掘進(jìn)工作面，區(qū)段寬度設(shè)計(jì)為280～300m，采面寬度設(shè)計(jì)為225～255m，兩采面之間布置兩條或三條回采巷道。生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)的瓦斯治理、突出防治主要采用本煤層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯的方式，局部采用本煤層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)和預(yù)抽煤巷條帶瓦斯的方式進(jìn)行補(bǔ)充，形成了“3·12”本煤層定向鉆孔抽采模式，即回采巷道煤體抽采3個(gè)月可保證突出防治有效、安全掘進(jìn)，采煤工作面煤體抽采12個(gè)月可保證采面回采期間瓦斯可控。開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)的瓦斯治理、突出防治主要采用穿層鉆孔預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)煤層瓦斯和預(yù)抽開(kāi)拓煤巷條帶瓦斯，形成了“精準(zhǔn)超前”底板穿層定向鉆孔抽采模式。采煤工作面上隅角、采空區(qū)瓦斯治理主要采用“以孔帶巷”頂板穿層鉆孔抽采瓦斯。

2 本煤層鉆孔瓦斯抽采

在生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)，通過(guò)在回采巷道煤幫、迎頭施工鉆場(chǎng)，利用千米定向鉆機(jī)進(jìn)行本煤層鉆孔瓦斯抽采，有效地解決巷道掘進(jìn)、工作面回采過(guò)程中的突出防治問(wèn)題[6]。根據(jù)《大寧煤礦3號(hào)煤層鉆孔抽采半徑和排放半徑測(cè)定報(bào)告》，千米定向鉆機(jī)孔徑?96mm，抽采鉆孔孔口間距0.5m，孔底間距6～7m，孔口采用“兩堵一注”[7]封孔工藝，封孔長(zhǎng)度不小于12m。

2.1 本煤層鉆孔區(qū)段煤層瓦斯抽采

在已掘回采巷道煤幫施工梯形鉆場(chǎng)，利用千米定向鉆機(jī)向下區(qū)段方向施工本煤層區(qū)段瓦斯抽采鉆孔，以覆蓋下區(qū)段回采工作面和回采巷道[8]。采用“一鉆場(chǎng)一設(shè)計(jì)、一鉆孔一設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)施工模式[9]，相鄰鉆場(chǎng)間距120m，單個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工鉆孔20～25個(gè)，覆蓋寬度100～140m，長(zhǎng)度300～340m，鉆孔間距6～7m，鉆孔總進(jìn)尺12000～16000m。鉆孔布置時(shí)充分利用千米定向鉆機(jī)孔內(nèi)分支的特點(diǎn)，采用“長(zhǎng)短孔扇形”布置，長(zhǎng)孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度300～340m，孔內(nèi)分支1～2個(gè)，單孔累計(jì)進(jìn)尺1000～1300m；短孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度100～150m，單孔累計(jì)進(jìn)尺200～300m，用于消除相鄰鉆場(chǎng)長(zhǎng)孔之間的空白區(qū)[10]，鉆孔有效抽采時(shí)間不少于3個(gè)月，單個(gè)鉆場(chǎng)抽采瓦斯純量不少于150萬(wàn)m3。

同時(shí)根據(jù)煤層地質(zhì)條件和礦井采掘接替計(jì)劃，可實(shí)現(xiàn)覆蓋兩個(gè)區(qū)段的本煤層超長(zhǎng)距離鉆孔施工。礦井累計(jì)施工完成11個(gè)超長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)，單孔最大孔深1002m，孔內(nèi)分支1～2個(gè)，單孔累計(jì)進(jìn)尺3048m。

2.2 本煤層鉆孔條帶煤層瓦斯抽采

對(duì)因煤層地質(zhì)條件影響不能采用區(qū)段抽采鉆孔施工的區(qū)域，在全負(fù)壓通風(fēng)巷道迎頭施工鉆場(chǎng)，利用千米定向鉆機(jī)沿巷道掘進(jìn)方向施工長(zhǎng)距離條帶抽采鉆孔，以覆蓋鉆場(chǎng)前方未掘巷道，單個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工鉆孔10～15個(gè)，覆蓋寬度90～100m，長(zhǎng)度450～500m，鉆孔間距6～7m，鉆孔總進(jìn)尺8000～10000m，鉆孔有效抽采時(shí)間不少于3個(gè)月，單個(gè)鉆場(chǎng)抽采瓦斯純量不少于120萬(wàn)m3。

2.3 本煤層鉆孔回采區(qū)煤層瓦斯抽采

對(duì)煤層賦存條件變化區(qū)域，在已掘回采巷道煤幫施工梯形鉆場(chǎng)，利用千米鉆機(jī)向本區(qū)段或下區(qū)段方向施工本煤層長(zhǎng)距離抽采鉆孔，用于覆蓋采面回采區(qū)域。在實(shí)際施工過(guò)程中，通常采用本煤層條帶抽采鉆孔與本煤層回采區(qū)抽采鉆孔相結(jié)合的方式，以滿足礦井正常采掘接續(xù)作業(yè)。

通過(guò)“3·12”本煤層定向鉆孔抽采模式的應(yīng)用，回采巷道掘進(jìn)前，區(qū)域瓦斯高負(fù)壓抽采時(shí)間不少于3個(gè)月，煤體瓦斯含量可下降4～6m3/t，定點(diǎn)實(shí)測(cè)煤體殘余瓦斯含量均可降至8m3/t以下(構(gòu)造區(qū)可降至6m3/t以下)；工作面回采前，區(qū)域瓦斯高負(fù)壓抽采時(shí)間不少于12個(gè)月，煤體瓦斯含量可下降6～8m3/t，定點(diǎn)實(shí)測(cè)煤體殘余瓦斯含量均可降至6.59m3/t以下，可解析瓦斯含量均可降至4m3/t以下[11]，為采掘作業(yè)的安全高效提供了保障。

3 穿層鉆孔瓦斯抽采

為了解決綜采工作面上隅角、采空區(qū)瓦斯積聚、石門(mén)揭煤區(qū)瓦斯抽采等問(wèn)題，高效開(kāi)展開(kāi)拓煤巷瓦斯預(yù)抽工作，大寧煤礦利用定向千米機(jī)進(jìn)行了大量的穿層鉆孔施工。

3.1 煤層頂板穿層鉆孔瓦斯抽采

在綜采工作面回風(fēng)側(cè)巷道內(nèi)，提前布置數(shù)個(gè)鉆場(chǎng)，相鄰鉆場(chǎng)間距240～320m，每個(gè)鉆場(chǎng)沿工作面推進(jìn)方向施工10～12個(gè)煤層頂板穿層鉆孔，覆蓋工作面回風(fēng)側(cè)70～80m范圍，鉆孔孔徑?153mm，鉆孔深度400～450m，鉆孔間距5～7m，鉆孔施工至煤層頂板以上15～35m的巖層裂隙帶內(nèi)，抽采裂隙帶內(nèi)聚積的瓦斯，工作面回采期間抽采瓦斯?jié)舛?0%～70%，平均抽采瓦斯純量2.12萬(wàn)m3/d，上隅角、回風(fēng)瓦斯?jié)舛认陆?5%，可有效控制在0.3%以下[12]。

3.2 巖巷底板穿層鉆孔預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)瓦斯

開(kāi)拓煤巷在向西掘進(jìn)過(guò)程中，因受F334斷層影響，局部區(qū)域煤層缺失，需進(jìn)行石門(mén)揭煤作業(yè)[13]。因石門(mén)揭煤設(shè)計(jì)巷道與3號(hào)煤層夾角較小，給揭煤區(qū)瓦斯抽采帶來(lái)了諸多困難，具體如下：①揭煤區(qū)煤層瓦斯抽采區(qū)域過(guò)大，沿巷道掘進(jìn)方向控制長(zhǎng)度約70m，控制寬度約40m，采用普通鉆機(jī)施工工程量較大；②巖巷停掘位置距揭煤點(diǎn)位置距離過(guò)遠(yuǎn)，采用普通鉆機(jī)鉆孔施工質(zhì)量和抽采效果不能保證；③巖巷停掘后施鉆、抽采時(shí)間長(zhǎng)影響開(kāi)拓進(jìn)度。大寧煤礦充分利用千米定向鉆機(jī)軌跡可控、精準(zhǔn)鉆進(jìn)的特點(diǎn)，在超前掘進(jìn)的相鄰巖巷底板施工長(zhǎng)距離穿層鉆孔，提前預(yù)抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯，同時(shí)利用千米定向鉆機(jī)孔內(nèi)分支探頂探底功能，對(duì)揭煤區(qū)域煤層的賦存情況進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。設(shè)計(jì)施工底板穿層鉆場(chǎng)1個(gè)，施工穿層鉆孔11個(gè)，鉆孔孔徑?96mm，單孔孔深210～240m，孔內(nèi)分支1個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺5311m，抽采時(shí)間7～8個(gè)月，累計(jì)抽采瓦斯量36.8萬(wàn)m3，定點(diǎn)實(shí)測(cè)煤體最大殘余瓦斯含量為5.84m3/t，有效降低石門(mén)揭煤作業(yè)突出風(fēng)險(xiǎn)。底板穿層預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)瓦斯鉆孔如圖1所示。

圖1 底板穿層預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)瓦斯鉆孔

3.3 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

為了提高開(kāi)拓煤巷預(yù)抽鉆孔施工效率，保證突出煤層瓦斯抽采效果，根據(jù)開(kāi)拓巖巷巷道坡度的變化，在開(kāi)拓巖巷巷幫施工鉆場(chǎng)，利用千米定向鉆機(jī)向巖巷底板施工長(zhǎng)距離穿層鉆孔，對(duì)開(kāi)拓煤巷瓦斯進(jìn)行反向或超前預(yù)抽[14]。

1)在下山巖巷巷道中，間隔布置數(shù)個(gè)巷幫鉆場(chǎng)，向被保護(hù)突出煤層施工長(zhǎng)距離穿層鉆孔，對(duì)開(kāi)拓煤巷瓦斯進(jìn)行反向預(yù)抽，鉆場(chǎng)布置間距300m，鉆場(chǎng)施工鉆孔9個(gè)，鉆孔孔徑?96mm，單孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度420m，其中煤層中鉆進(jìn)長(zhǎng)度320m，煤層內(nèi)設(shè)計(jì)分支1～2個(gè)。經(jīng)測(cè)算與普通鉆機(jī)施工底板穿層鉆孔相比施工工效可提升50%，巖巷底板穿層反向預(yù)抽鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 巖巷底板穿層反向預(yù)抽鉆孔施工設(shè)計(jì)

2)在水平、上山巖巷巷道中，向被保護(hù)突出煤層施工長(zhǎng)距離穿層鉆孔，對(duì)開(kāi)拓煤巷瓦斯進(jìn)行超前預(yù)抽，鉆孔施工參數(shù)與反向預(yù)抽鉆孔相同，巖巷底板穿層超前預(yù)抽鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 巖巷底板穿層超前預(yù)抽鉆孔施工設(shè)計(jì)

采用“精準(zhǔn)超前” 底板穿層定向鉆孔抽采模式，設(shè)計(jì)施工底板穿層超前預(yù)抽鉆場(chǎng)1個(gè)，施工穿層鉆孔9個(gè)，單孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度420m，其中煤層中鉆進(jìn)長(zhǎng)度320m。該鉆孔施工方式在一定程度上突破了被保護(hù)突出煤層預(yù)抽孔必須滯后于開(kāi)拓巖巷，被保護(hù)開(kāi)拓煤巷施工必須滯后于開(kāi)拓巖巷施工的空間和時(shí)間限制，與反向底板穿層鉆孔相比，煤層瓦斯預(yù)抽時(shí)間可延長(zhǎng)8～12個(gè)月。

4 采區(qū)首采面瓦斯抽采

大寧煤礦開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)按照121工法進(jìn)行采面設(shè)計(jì)[15]，首采面回采巷道走向長(zhǎng)度2240m。為實(shí)現(xiàn)首采面回采巷道煤層瓦斯高效預(yù)抽，提高回采巷道掘進(jìn)效率，提前形成首采面，大寧煤礦結(jié)合千米定向鉆機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，在“抽+掘”作業(yè)工序優(yōu)化、底抽巷抽采煤層瓦斯等方面進(jìn)行了積極研究和探索。

4.1 “抽+掘”作業(yè)流程優(yōu)化

大寧煤礦現(xiàn)采用綜掘工藝進(jìn)行回采巷道的交替掘進(jìn)。在采用雙巷交替綜掘工序(雙巷道+單鉆場(chǎng))掘進(jìn)時(shí)，完成一個(gè)480m的條帶“抽+掘”工序循環(huán)，需用時(shí)13個(gè)月(預(yù)抽6個(gè)月，掘進(jìn)7個(gè)月)，雙巷交替綜掘“抽+掘”工序循環(huán)如圖4所示。

圖4 雙巷交替綜掘“抽+掘”工序

在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)抽、掘系統(tǒng)分離，充分提高“抽+掘”關(guān)系配合，縮減條帶“抽+掘”工序循環(huán)時(shí)間，大寧煤礦積極探索L形綜掘“抽+掘”工序，在該工序條件(雙巷道+雙鉆場(chǎng))下，完成一個(gè)480m的條帶“抽+掘”工序循環(huán)，需用時(shí)9個(gè)月(預(yù)抽6個(gè)月，掘進(jìn)3個(gè)月)，L形綜掘“抽+掘”工序循環(huán)如圖5所示。

圖5 L形綜掘“抽+掘”工序

采用L形綜掘“抽+掘”工序，完成開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)首采面2240m的回采巷道，比原有雙巷交替綜掘工序，預(yù)計(jì)節(jié)約時(shí)間16個(gè)月，同時(shí)配合“雙巷道+雙鉆場(chǎng)”的設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)相鄰巷道瓦斯抽采時(shí)間近3個(gè)月，抽采瓦斯純量將提升15%。

4.2 底抽巷穿層鉆孔抽采

為了提高開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)首采面、上下巷及下區(qū)段煤層瓦斯抽采效果，大寧煤礦積極研究在首采面下巷靠采面?zhèn)炔贾猛咚沟壮橄锏耐咚钩椴稍O(shè)計(jì)方案，通過(guò)利用千米定向鉆機(jī)在瓦斯底抽巷內(nèi)施工頂板煤層定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔覆蓋首采面、上下巷及下區(qū)段煤層[16]，瓦斯底抽巷定向鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 瓦斯底抽巷定向鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)大巷開(kāi)拓進(jìn)度可及時(shí)掘進(jìn)開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)首采面瓦斯底抽巷，提前進(jìn)行底抽巷頂板煤層定向長(zhǎng)鉆孔施工，經(jīng)測(cè)算該方案可增加區(qū)域煤層瓦斯抽采時(shí)間10月以上，同時(shí)底抽巷(底板巖巷)的使用效率可提升近3倍。

5 結(jié) 論

1)大寧煤礦在長(zhǎng)期的礦井瓦斯治理、突出防治程過(guò)中，充分利用千米定向鉆機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合礦井煤層賦存條件，在生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)采用“3·12”本煤層定向鉆孔抽采模式，掘進(jìn)前區(qū)域煤體瓦斯抽采率可達(dá)45%，有效控制突出風(fēng)險(xiǎn)；采面回采前煤體瓦斯抽采率可達(dá)57%，同時(shí)配合“以孔代巷”高位孔裂隙帶瓦斯抽采，上隅角、回風(fēng)瓦斯?jié)舛扔行Э刂圃?.3%以下。

2)根據(jù)開(kāi)拓巷道布置、掘進(jìn)情況，創(chuàng)造性地將定向鉆機(jī)應(yīng)用于石門(mén)揭煤區(qū)瓦斯抽采，定點(diǎn)實(shí)測(cè)煤體最大殘余瓦斯含量為5.84m3/t，突出防治效果顯著；同時(shí)摸索出了“精準(zhǔn)超前” 底板穿層定向鉆孔抽采模式，與普通鉆機(jī)相比施工工效提升50%，突破了被保護(hù)煤巷施工必須滯后于開(kāi)拓巖巷施工的空間和時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)煤巷瓦斯的超前治理。

3)在開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)首采面準(zhǔn)備期間，探索出了L形綜掘工序，在“雙巷道+雙鉆場(chǎng)”設(shè)計(jì)方案下，“抽+掘”工序循環(huán)時(shí)間縮減4個(gè)月，瓦斯抽采量提升15%；同時(shí)提出首采面底抽巷設(shè)計(jì)方案，底抽巷使用效率提升近3倍，區(qū)域煤層瓦斯抽采時(shí)間可增加10個(gè)月，有效保障開(kāi)拓規(guī)劃區(qū)煤層瓦斯抽采效果。