定向鉆機(jī)采面逆斷層消突鉆孔設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究

劉 浩

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦， 山西 晉城 048200）

1 采煤工作面瓦斯治理現(xiàn)狀

寺河礦為高瓦斯礦井，其噸煤瓦斯含量東井區(qū)為13.76 m3，西井區(qū)為21.8 m3，礦西井區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為694.5 m3/min，礦西井區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量為101.85 m3/min。在治理瓦斯過程中，寺河礦始終堅(jiān)持“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控”的方針，目前寺河礦井下工作面主要采取定向鉆機(jī)施工區(qū)域遞進(jìn)式鉆孔預(yù)抽瓦斯。但采面中出現(xiàn)斷層區(qū)域要進(jìn)行鉆孔消突，針對(duì)于西井區(qū)西二盤區(qū)W2303 工作面出現(xiàn)的DF9 與FW23032-2 兩條逆斷層，存在以下問題亟待解決：

1）采面逆斷層區(qū)域斷層面較大，影響范圍廣，煤體破碎，煤量較多；

2）采面逆斷層區(qū)域利用普通鉆機(jī)施工消突鉆孔，無法對(duì)斷層煤體進(jìn)行全覆蓋消突，無法保證工作面正?；夭尚枰?/p>

3）普通斷層消突鉆孔設(shè)計(jì)不能更好地抽采斷層區(qū)域上下盤及三角帶位置。

2 定向鉆機(jī)采面逆斷層消突鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 研究思路

主要從分析區(qū)域遞進(jìn)式定向鉆孔所在采面逆斷層區(qū)域如何消突入手，合理設(shè)計(jì)定向斷層消突鉆孔施工位置及層位，改進(jìn)和完善定向鉆孔施工工藝，使用定向鉆機(jī)對(duì)逆斷層上下盤區(qū)域進(jìn)行消突，提高對(duì)采面逆斷層區(qū)域的抽采能力，保證工作面回采時(shí)瓦斯安全，滿足礦井安全高效回采需要，具體設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 定向鉆機(jī)采面逆斷層消突思路

2.2 主要研究?jī)?nèi)容

任務(wù)一：采面定向消突鉆孔施工位置設(shè)計(jì)；采面定向消突鉆孔施工層位設(shè)計(jì)；采面定向消突鉆孔施工工藝完善和改進(jìn)。

任務(wù)二：取芯實(shí)測(cè)煤體瓦斯含量，回采過程中實(shí)際瓦斯情況驗(yàn)證。

2.3 考核指標(biāo)

完成適用于采面逆斷層區(qū)域，區(qū)域遞進(jìn)式定向逆斷層消突鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)方案，在指定試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)劃完成的技術(shù)指標(biāo)如下：

1）實(shí)際取芯測(cè)煤體瓦斯含量在8 m3/t 以下；

2）采面回采過程中無瓦斯安全事故發(fā)生。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新

通過在西井區(qū)西二盤區(qū)W2303 工作面兩側(cè)巷道分別利用巖巷、煤巷兩種方案使用定向鉆機(jī)進(jìn)行逆斷層消突鉆孔的施工，使W2303 工作面內(nèi)的兩條斷層進(jìn)一步消突抽采，為礦井安全高效回采作出保障，其創(chuàng)新性和先進(jìn)性主要有以下幾個(gè)方面：

1）普通鉆機(jī)施工采面逆斷層區(qū)域，且普通鉆機(jī)因沒有軌跡測(cè)量裝置，無法對(duì)鉆孔進(jìn)行精準(zhǔn)定位，實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差較大，無法通過鉆孔準(zhǔn)確施工至逆斷層上下盤三角帶位置，起不到消突作用。

2）為了保障鉆孔有效的對(duì)采面逆斷層區(qū)域進(jìn)行消突，同時(shí)避免與已施工的區(qū)域遞進(jìn)式鉆孔打穿，選擇定向鉆機(jī)區(qū)域遞進(jìn)式施工，準(zhǔn)確找到斷層三角帶位置進(jìn)行消突，做到斷層全覆蓋、增加抽采效果[1]。

煤巷施工鉆孔：確定在W23031 巷12 號(hào)橫川千米鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)鉆孔11 個(gè)，單孔設(shè)計(jì)250～280 m，開孔位置距斷層面170 m 左右，穿過斷層面50 m；為保證消突孔抽采效果，同時(shí)盡可能避免與巷道掘進(jìn)過程中鉆孔打穿，造成不返水現(xiàn)象，影響消突效果，每個(gè)鉆孔通過定向的特點(diǎn)分為三條分支，上、中、下對(duì)煤體進(jìn)行全覆蓋，尤其是對(duì)斷層三角區(qū)域進(jìn)行消突。

巖巷施工鉆孔：確定在W23032 巷巖巷2 號(hào)千米鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)鉆孔11 個(gè)，單孔設(shè)計(jì)280 m，開孔位置距斷層面220 m 左右，單孔分支設(shè)計(jì)終孔點(diǎn)間距為30 m，控制斷層前后50 m 范圍，單孔交叉進(jìn)行施工，盡量將分支終孔點(diǎn)間距控制在10 m 以內(nèi)；每個(gè)鉆孔分為四條分支，充分利用定向鉆孔具有軌跡可定位的特點(diǎn)，采用穿層鉆孔抽采的方式對(duì)煤體進(jìn)行全覆蓋，尤其是對(duì)斷層三角區(qū)域進(jìn)行消突。

根據(jù)定向鉆孔具有軌跡可定位特點(diǎn)，W23032 巷2 號(hào)千米鉆場(chǎng)施工的采面定向逆斷層消突鉆孔首次采用了“梳狀”的模式，對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行加密覆蓋瓦斯抽采，為有效解決逆斷層區(qū)域消突起到關(guān)鍵性作用。

3）消突鉆孔施工過程中主要通過穿矸見煤、返水返渣情況來判斷是否施工至斷層三角帶區(qū)域，若返水返渣突然變小，穿矸見煤時(shí)瓦斯異常，可判定該分支成功與施工至斷層三角帶位置。

定向消突鉆孔首次實(shí)現(xiàn)了在原區(qū)域遞進(jìn)式定向鉆孔覆蓋區(qū)域內(nèi)成孔并對(duì)已施工采面逆斷層三角帶成功進(jìn)行了消突，改變了異常煤體區(qū)域內(nèi)瓦斯聚積問題，為逆斷層三角帶區(qū)域瓦斯提供了穩(wěn)定可控的涌出通道，保證了工作面回采過程中的安全生產(chǎn)[2]。

4 技術(shù)綜合比較

4.1 普通鉆機(jī)施工逆斷層區(qū)域技術(shù)

使用普通鉆機(jī)施工逆斷層區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)順層鉆孔密集覆蓋，對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行煤層消突。

4.2 定向鉆機(jī)施工逆斷層區(qū)域技術(shù)

W23032 巷2 號(hào)千米鉆場(chǎng)消突鉆孔巖巷施工實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔梳狀覆蓋，對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行煤層消突；

W23031 巷12 號(hào)千米鉆場(chǎng)消突鉆孔煤巷施工實(shí)現(xiàn)定鉆孔上中下全覆蓋，對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行煤層消突。

4.3 技術(shù)研究對(duì)比

1）使用普通鉆機(jī)施工操作方便，鉆機(jī)設(shè)備移動(dòng)簡(jiǎn)單，可做到多臺(tái)施工，耗時(shí)短；但無法做到煤層全覆蓋，鉆孔成孔率低，無法準(zhǔn)確施工逆斷層上下盤區(qū)域，消突效果差。

2）使用定向鉆機(jī)施工，施工地點(diǎn)固定，無法同時(shí)施工，耗時(shí)較長(zhǎng)；但鉆孔成孔率高，可以對(duì)煤層進(jìn)行全覆蓋，可以準(zhǔn)確利用定向特點(diǎn)對(duì)逆斷層區(qū)域位置，消突效果較好。

4.4 打鉆費(fèi)用

4.4.1 普通鉆孔

使用普通鉆孔進(jìn)行消突共需施工187 200 m 進(jìn)尺，共需花費(fèi)1 496.851 2 萬元。

消耗費(fèi)用統(tǒng)計(jì)：按照統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)穿層鉆孔單價(jià)為108.97 元/m（人工費(fèi)、折舊費(fèi)、大修費(fèi)、中小修費(fèi)用、電、水、壓風(fēng)費(fèi)用、管理費(fèi)），下表1為普通鉆孔每米打鉆費(fèi)用表。

表1 普通鉆孔每米打鉆費(fèi)用表 元

4.4.2 定向鉆孔

使用定向鉆孔進(jìn)行消突共需施工19 780 m 進(jìn)尺，共需花費(fèi)490.860 5 萬元。

消耗費(fèi)用統(tǒng)計(jì)：按照統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)穿層鉆孔單價(jià)為248.16 元/m（人工費(fèi)、折舊費(fèi)、大修費(fèi)、中小修費(fèi)用、電、水、壓風(fēng)費(fèi)用、管理費(fèi)）下表2 使用定向鉆機(jī)每米打鉆費(fèi)用表。

表2 定向鉆機(jī)每米打鉆費(fèi)用表 元

4.4.3 費(fèi)用比較

使用千米鉆機(jī)施工要比普通鉆機(jī)施工進(jìn)尺節(jié)省167 420 m 進(jìn)尺，定向鉆機(jī)施工比普通鉆機(jī)施工費(fèi)用要節(jié)省1 005.990 7 萬元。

5 推廣應(yīng)用情況及效益

W23032 巷2 號(hào)千米鉆場(chǎng)消突鉆孔的成功施工，有效地解決了逆斷層區(qū)域的消突情況，保障了W2303 工作面回采過程的安全高效生產(chǎn), 為礦井抽采及生產(chǎn)銜接作出了巨大貢獻(xiàn)。

本消突鉆孔設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案研究，為其他采面逆斷層區(qū)域，普通鉆孔無法進(jìn)行全斷面消突，無法滿足抽采、生產(chǎn)銜接需要提供了安全生產(chǎn)保障[3]。

對(duì)2 個(gè)鉆場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共完成逆斷層區(qū)域定向消突鉆孔22 個(gè)，總進(jìn)尺19 780 m，鉆孔孔徑為Φ105 mm，平均機(jī)械鉆速32.5m/h，最大單班進(jìn)尺96m。實(shí)現(xiàn)了采用常規(guī)鉆進(jìn)裝備進(jìn)行定向鉆孔施工，對(duì)促進(jìn)煤礦高效生產(chǎn)、進(jìn)一步推動(dòng)礦井安全技術(shù)進(jìn)步具有實(shí)際意義。