定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在低透氣煤層中應(yīng)用

梁雨劍

（潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

煤礦高瓦斯低透氣煤層瓦斯抽采率低的問題一直是煤礦重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難題[1]之一。隨著我國多數(shù)煤礦產(chǎn)能增大、井田不斷開拓延伸，礦井逐漸進(jìn)入深部開采階段，開采煤層地應(yīng)力加大、地溫升高[2]，從而導(dǎo)致煤層瓦斯抽采難度加大。低透氣煤層瓦斯抽采的難抽性已成為大多數(shù)高瓦斯礦共同特性[3]；煤礦在生產(chǎn)過程中瓦斯事故頻繁發(fā)生，已嚴(yán)重制約著井下安全高效生產(chǎn)[4]。

目前我國煤礦對于低透氣煤層主要采用本煤層順層鉆孔瓦斯抽采，但這種瓦斯抽采技術(shù)存在很多技術(shù)難題，主要表現(xiàn)在鉆孔施工量大、鉆孔施工周期長以及瓦斯抽采難度大、 煤層瓦斯抽采效率等，而且嚴(yán)重威脅著工作面后期安全高效生產(chǎn)[5]。本文以司馬礦1208 綜采工作面為工程背景，采取定向長鉆孔技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯，并考察其應(yīng)用效果。

1 概述

潞安集團(tuán)司馬礦為高瓦斯礦井，1208 工作面位于井田一水平二采區(qū)，設(shè)計(jì)走向長度為1 700 m，傾向長度為215 m。工作面回采3#煤層，平均厚度為6.95 m，煤層原始瓦斯含量為7.8 m3/t，透氣性系數(shù)為0.562 8 m2/MPa2·d，屬于低透氣性煤層。

1208 工作面沿3#煤層底板掘進(jìn)，工作面原采用本煤層順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽，鉆孔單孔長度為80 m，直徑為75 mm，鉆孔間距為15 m，鉆孔垂直煤壁布置，共布置105 個瓦斯鉆孔，鉆孔總施工長度為8 640 m。

截至目前1208 工作面已回采450 m，由于受抽采鉆孔布置方式、煤層賦存以及透氣性等影響，瓦斯抽采存在以下問題：①單孔施工周期為10 h，鉆孔施工工程量大、施工周期長，縮短工作面回采時間。②鉆孔施工過程中塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重。③3#煤層屬于低透氣性煤層，采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時，鉆孔瓦斯抽采半徑小，瓦斯抽采衰減速度快，抽采效果差。

2 定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

為了提高煤層瓦斯抽采效率，保證工作面安全高效回采，司馬礦研究決定采用定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。

2.1 定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）鉆孔工程量?。号c傳統(tǒng)順層鉆孔相比，采用千米定向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，共計(jì)施工3 個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置15 個鉆孔，總共45 個鉆孔，鉆孔總長度為8 100 m；而采用本煤層順層鉆孔瓦斯抽采時鉆孔總長度為12 600 m，可減少鉆孔施工長度達(dá)4 500 m，降低了抽采瓦斯鉆孔施工工程量。

（2）鉆孔施工周期短、成孔效果好：與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比，ZDY3200L 型履帶式液壓鉆機(jī)自動化水平高，鉆孔施工速度快。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，單孔鉆進(jìn)時間為6 h，大大縮短了鉆孔施工周期；同時該鉆機(jī)安裝了一套定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，可實(shí)時觀測鉆孔內(nèi)巖性、鉆進(jìn)位置以及鉆孔成孔情況，鉆孔施工精準(zhǔn)率高、成孔效果好[2]，成孔率是原順層鉆孔成孔率1.5 倍。

（3）鉆孔瓦斯抽采效果好：傳統(tǒng)本煤層順層鉆孔長度有限，且鉆孔在煤層立體位置上布置數(shù)量少，瓦斯抽采時，鉆孔抽采半徑不足4.0 m；而千米定向鉆孔在煤層立體方向成柱體，柱體半徑達(dá)20 m，千米鉆孔在進(jìn)行瓦斯抽采時，抽采半徑達(dá)12～15 m，瓦斯抽采區(qū)域范圍大，抽采效果好。

2.2 定向鉆孔施工設(shè)備

（1）鉆機(jī)結(jié)構(gòu)：ZDY3200L 型履帶式液壓鉆機(jī)最大鉆進(jìn)深度為350 m，鉆孔傾角為-12°～+90°，電機(jī)功率為55 kW。鉆機(jī)安裝一套定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電源、監(jiān)視器、高壓送水膠管、送水器、鉆桿、測量探管以及孔底馬達(dá)和鉆頭等部分組成[6]，如圖1所示。

圖1 千米鉆機(jī)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）鉆孔封孔：封孔段長度為20 m，封孔段直徑為165 mm，在封孔段安裝長度為15 m PVC管，孔口段安裝長度為6 m 直徑為150 mm 鋼管，鋼管與PVC 管之間采用套管連接；在孔口處安裝一個錐形聚氨酯堵孔塞，封堵并接入直徑為10 mm注漿軟管，最后對封孔段注入水泥砂漿進(jìn)行封堵，如圖2所示。

圖2 千米鉆孔封孔工藝平面

2.3 鉆孔布置

（1）鉆場布置：鉆場布置在1208 回風(fēng)順槽工作面煤壁側(cè)，鉆場呈梯形狀，鉆場外口長度為9 m，內(nèi)口長度為4 m，垂直深度為4.0 m，高度為3.5 m。鉆場頂板主要采用錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)，在外口處頂板采用4 架錨索吊棚以及6 組組合錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。鉆場布置間距為400 m，1208 工作面共計(jì)布置3 個鉆場。

（2）鉆孔布置：每個鉆場內(nèi)布置15 個鉆孔，鉆孔深度為180 m，直徑為94 mm，鉆孔在空間位置上成柱形，如圖3所示。鉆孔終孔位置間距為10 m，鉆孔在水平面上布置半徑為20 m； 鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝瓦斯抽采花管并與回風(fēng)順槽內(nèi)主管路連接，進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，每個鉆場瓦斯抽采時間不低于50 d。

圖3 1208工作面高位鉆孔布置平面

3 應(yīng)用效果分析

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時，在前30 d 范圍內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度在52%～76%，平均為67.5%，在30～50 d 范圍內(nèi)由于煤體透氣系數(shù)差，瓦斯抽采過程中未形成瓦斯裂隙通道，鉆孔瓦斯?jié)舛人p系數(shù)快，平均瓦斯?jié)舛葹?1.8%。

采用千米定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時，在前42 d范圍內(nèi)鉆孔平均瓦斯?jié)舛缺３衷?2.3%，之后瓦斯抽采鉆孔同樣出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，但是衰減幅度相對較小，平均瓦斯?jié)舛?4.2%，瓦斯抽采率是順層鉆孔的1.7 倍，如表1所示。

表1 1208 工作面瓦斯抽采前后對比分析

4 結(jié)論

1）相比本煤層順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，千米鉆孔瓦斯抽采技術(shù)具有鉆孔深度大、布置數(shù)量小、抽采半徑大等優(yōu)點(diǎn)，對于低透氣煤層該技術(shù)對煤層瓦斯抽采效果好。

2）千米鉆孔瓦斯抽采時，煤層瓦斯抽采衰減系數(shù)小，可持續(xù)穩(wěn)定對煤層瓦斯進(jìn)行抽采，瓦斯抽采濃度大，解決了順層瓦斯抽采時，衰減速度快、瓦斯抽采率低等技術(shù)難題。

3）千米鉆孔施工時速度快，該系統(tǒng)安裝了一套隨機(jī)測量觀測系統(tǒng)，對鉆孔在施工過程中鉆孔布置方位、穿層巖性等可實(shí)時掌控，成孔率高，避免了順層鉆孔施工時塌孔嚴(yán)重以及盲目性大等現(xiàn)象。