千米鉆孔煤層預(yù)抽在高突礦井掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

劉 凱

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048006）

引言

千米鉆孔預(yù)抽是預(yù)防煤與瓦斯突出而進(jìn)行的一種區(qū)域性瓦斯抽采方法，此種瓦斯治理方法相對(duì)比地面鉆井抽采、保護(hù)層開采而言，具有施工方便、成本低和抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)，已于2019 年新頒發(fā)的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第64 條中予以明確，也是被高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井應(yīng)用最為廣泛的瓦斯治理技術(shù)[1-3]。李宏和韓兵[4-5]針對(duì)成莊煤礦瓦斯壓力大、含量高的難題，采用定向長(zhǎng)鉆孔的區(qū)域瓦斯治理方法進(jìn)行了針對(duì)性研究，提出了定向長(zhǎng)鉆孔的最優(yōu)布孔方式，考察了其區(qū)域預(yù)抽的抽采規(guī)律；楊曉紅等[6]對(duì)千米定向鉆孔在山西焦煤集團(tuán)的應(yīng)用效果進(jìn)行了整體分析，并對(duì)定向鉆孔在地質(zhì)條件復(fù)雜及煤層松軟條件的施工方法進(jìn)行了研究；任東海[7]針對(duì)千米鉆孔在寺河煤礦的高效及廣泛應(yīng)用實(shí)際，對(duì)千米鉆孔的有效抽采半徑進(jìn)行了研究，為定向鉆孔的合理布置提供了參考。但先前學(xué)者的研究普遍是針對(duì)千米鉆孔的區(qū)域性采面預(yù)抽進(jìn)行的研究，針對(duì)掘進(jìn)工作面的千米鉆孔抽采應(yīng)用研究較少。為此，本文針對(duì)坪上煤業(yè)的千米鉆孔在掘進(jìn)工作面的抽采現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，以期為其他有類似抽采方式的礦井提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域情況

1.1 礦井概況

坪上煤業(yè)設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為90 萬t。礦井采用“三進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，其中主斜井、行人斜井、進(jìn)風(fēng)斜井為進(jìn)風(fēng)井，回風(fēng)立井擔(dān)任回風(fēng)任務(wù)，回風(fēng)立井安裝兩臺(tái)AGF606-2.82-1.58-2 型主扇。礦井現(xiàn)建有兩套地面永久抽采系統(tǒng)，一套為2BEC72 抽放系統(tǒng)（三用三備），現(xiàn)抽采濃度為50%，抽采純量為247 m3/min，抽采負(fù)壓為38 kPa，日抽放量為35 萬m3，滿足礦井現(xiàn)階段抽放需求；一套為CBF410 抽采系統(tǒng)，目前停運(yùn)。根據(jù)2010 年河南理工大學(xué)編制的《坪上煤業(yè)3 號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》中礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)可知（見表1），煤層具有突出危險(xiǎn)性，礦井按突出礦井進(jìn)行管理。

表1 坪上煤業(yè)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表

1.2 實(shí)施背景

礦井為煤與瓦斯突出礦井，井下工作面順槽巷道采用雙巷掘進(jìn)通風(fēng)方式，每50 m 貫通一聯(lián)絡(luò)橫川，掘進(jìn)工藝采用EBJ-120 型進(jìn)行作業(yè)，采用錨噴支護(hù)。巷道掘進(jìn)主要通過在巷道正前及橫川之間施工條帶式密集鉆孔加順層遞進(jìn)鉆孔進(jìn)行本煤層預(yù)抽后開始掘進(jìn)，保證礦井銜接要求?，F(xiàn)礦井順槽巷道主要利用西安煤科院生產(chǎn)的ZDY-1900S 和ZDY-3200型鉆機(jī)施工，鉆孔布置方式為正前2 個(gè)/m2，橫川1個(gè)/m2（如圖1 所示），鉆孔施工受地質(zhì)條件影響，施工長(zhǎng)度在120～200 m 范圍，施工時(shí)間為1 個(gè)月，抽放時(shí)間約為2 個(gè)月，單輪掘進(jìn)水平保持在100～150 m左右，因掘進(jìn)過程中割出抽放鉆孔引起瓦斯超限，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

圖1 普通鉆機(jī)預(yù)抽示意圖

隨著礦井生產(chǎn)能力不斷提高，現(xiàn)有抽掘模式已不能正常滿足礦井抽掘采銜接需求。針對(duì)此現(xiàn)狀，坪上煤業(yè)借鑒千米鉆機(jī)在實(shí)施模塊抽放取得良好效果的基礎(chǔ)上，嘗試在13012/13014 區(qū)域利用千米鉆機(jī)進(jìn)行本煤層預(yù)抽，通過實(shí)施大孔徑、長(zhǎng)鉆孔來提高本煤層抽放效果，提高礦井單進(jìn)水平，保證礦井正常銜接秩序。

2 千米鉆機(jī)基本情況

2.1 基本參數(shù)

千米鉆機(jī)（VLD-1000 型）由澳大利亞威力朗沃公司生產(chǎn)，長(zhǎng)4 m，寬2.1 m，高1.66 m，鉆機(jī)總質(zhì)量為12.5 t，鉆機(jī)為履帶式行走鉆機(jī)，行走速度為3.4 km/h，配套鉆桿單根長(zhǎng)度3 m，外徑69.9 mm，配套電機(jī)90 kW，電壓等級(jí)660～1140 V。千米鉆機(jī)的鉆進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)裝置（DGS）的長(zhǎng)度2.7 m，外徑70 mm，質(zhì)量為52 kg，內(nèi)部電池電壓為15 V，可用8～10 周，方位角精度為±0.5°，傾角精度為±0.2°。

2.2 施工原理

千米鉆機(jī)施工主要是利用DGS 作為導(dǎo)向系統(tǒng)，在孔底返回的信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭所在的位置，通過人工操作手柄來調(diào)整彎頭方向。在打鉆過程中，鉆頭動(dòng)而鉆桿不動(dòng)，主要是靠水泵的壓力帶動(dòng)鉆桿前方裝在鉆頭后面的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，在鉆孔內(nèi)部根據(jù)煤層變化情況順著煤層打，鉆機(jī)的設(shè)計(jì)能力為直孔1000m，可以在一個(gè)孔內(nèi)上下左右打多個(gè)分支，累計(jì)單孔深度可達(dá)2000 m 以上，孔內(nèi)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖見圖2。

圖2 孔內(nèi)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.3.1 優(yōu)點(diǎn)

千米鉆機(jī)施工鉆采用先封后打工藝，杜絕了打鉆過程中因瓦斯噴出造成瓦斯超限的事故。千米鉆機(jī)施工可以準(zhǔn)確掌握鉆孔軌跡保證鉆孔質(zhì)量，對(duì)煤層進(jìn)行探頂探底，根據(jù)涌水和排渣情況分析是否存在地質(zhì)構(gòu)造等情況，提前掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，為生產(chǎn)期間采取措施提供依據(jù)。千米鉆機(jī)施工鉆孔距離長(zhǎng)、覆蓋面積大、抽采濃度高且衰減速度較慢，可以有效降低煤層瓦斯含量和壓力，提升礦井抽采率。

2.3.2 缺點(diǎn)

VLD-1000 型定向千米鉆機(jī)設(shè)備購置昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，配件購買周期長(zhǎng)，應(yīng)規(guī)范千米鉆機(jī)的使用，減少不正規(guī)操作對(duì)設(shè)備的損壞，提前考慮對(duì)常用配件的購買。在千米鉆機(jī)施工過程中，由于煤體軟硬分布不均，地質(zhì)構(gòu)造（斷層、沖刷、陷落柱）的影響經(jīng)常造成壓鉆桿、掉桿等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆機(jī)無法施工。不宜在軟煤層中施工。

3 掘進(jìn)區(qū)域施工及效果分析

3.1 基本情況及鉆孔設(shè)計(jì)

13012/13014 區(qū)域煤層厚度為5.04～7.16 m，平均6.1 m，純煤厚度4.81～6.98 m；含炭質(zhì)泥巖和泥巖夾石0～5 層，厚0～1.25 m。掘進(jìn)巷道高2.75 m，寬4.2 m，斷面11.55 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度800 m，原始煤體瓦斯含量為20 m3/t，截止2011 年2 月底已施工至四橫川，形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。

13012/13014 區(qū)域共設(shè)計(jì)8 個(gè)千米鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔深度為600 m 其中，13012 正前及13014 正前各設(shè)計(jì)4 個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)具體參數(shù)如下頁表2 所示。抽放管路敷設(shè)從東二回1m 主管出一便頭，順13012巷敷設(shè)一趟Φ355 mmPE 管延伸至13014 巷正前、13014 與13012 四橫川及13012 巷正前，并和13014巷的Φ355 mm 抽放管溝通。巷道正前安裝負(fù)壓表及集中式放水器，并留有測(cè)量點(diǎn)，可測(cè)量到此區(qū)域鉆孔的瓦斯?jié)舛取⒘髁康认嚓P(guān)參數(shù)；鉆孔施工使用水泥進(jìn)行先封后打，封孔長(zhǎng)度為8 m 鉆孔。

3.2 千米鉆孔施工情況

13012/13014 區(qū)域四橫川千米鉆孔在實(shí)際施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及瓦斯賦存情況實(shí)際施工20個(gè)鉆孔（其中報(bào)廢一個(gè)孔），累計(jì)抽采進(jìn)尺18129 m，平均鉆孔長(zhǎng)度954.2 m，主孔平均深度達(dá)584.8 m。其中13014 巷三橫川東幫施工6 號(hào)鉆孔時(shí)由于地質(zhì)條件影響導(dǎo)致6 號(hào)鉆孔報(bào)廢；在13012 巷正前施工3 號(hào)孔時(shí)，返水中帶有少量黃沙，鉆孔施工完畢后，在抽放期間涌水量較大。鉆孔竣工具體參數(shù)見下頁表2，竣工圖如圖3 所示，鉆孔軌跡如圖4 和下頁圖5所示。

圖3 千米鉆孔竣工示意圖

圖4 完孔垂直面軌跡圖

圖5 完孔水平面軌跡圖

3.3 效果分析

13012/13014 巷掘進(jìn)工作面鉆孔施工完成后，從2011 年3 月28 日/2011 年4 月13 日開始預(yù)抽，到2011 年7 月7 日/2011 年7 月21 日結(jié)束，累計(jì)抽放119 d/105 d，平均主孔鉆孔進(jìn)尺為584 m/585.5 m，累計(jì)抽放瓦斯量725 萬m3，平均抽放瓦斯量為43.4 m3/min，區(qū)域最大百米流量為0.37 m3/min.hm。

掘進(jìn)前對(duì)工作面進(jìn)行殘余瓦斯含量檢測(cè)為7.4891 m3/t，瓦斯壓力為0.4323 kPa，測(cè)得鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值最大為0.26 mL/（min1/2·g），鉆屑量S值最大為2.5 kg/m，均不超臨界指標(biāo)，符合《防突規(guī)定》各項(xiàng)指標(biāo)要求。13012 巷和13014 巷分別于2011 年7 月22 日/2011 年8 月10 日開始掘進(jìn)，工作面均選用功率為2×55 kW 風(fēng)機(jī)，掘進(jìn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行兩個(gè)“四位一體”防突措施及效果檢驗(yàn)，于10 月24 日掘進(jìn)到位。在3 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙巷連續(xù)掘進(jìn)1020 m，大大提高了單輪掘進(jìn)水平。在掘進(jìn)至200 m 時(shí)，13012/13014 區(qū)域回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲?.25%，瓦斯涌出量為1.8 m3/min。整個(gè)掘進(jìn)過程，未發(fā)生一起瓦斯超限事故。具體參數(shù)見表2。

表2 13012/13014 巷千米鉆孔瓦斯參數(shù)測(cè)量記錄

4 結(jié)論

利用普通鉆機(jī)在掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤╊A(yù)抽效果差，不能掌握鉆孔鉆進(jìn)方向，鉆孔質(zhì)量無法保障，每輪掘進(jìn)100～150 m。但千米鉆機(jī)施工的定向鉆孔與之相比，有較大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在：

1）利用千米鉆機(jī)施工長(zhǎng)距離定向抽放鉆孔對(duì)掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)抽，能夠有效降低煤層瓦斯含量和壓力，消除工作面突出危險(xiǎn)性，每輪掘進(jìn)500～600 m，比傳統(tǒng)掘進(jìn)模式單進(jìn)水平提高4～5 倍。

2）經(jīng)過實(shí)施“大孔徑、長(zhǎng)鉆孔”預(yù)抽后，掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)了消除突出危險(xiǎn)和低瓦斯?fàn)顟B(tài)下的連續(xù)掘進(jìn)。千米鉆機(jī)在突出煤層掘進(jìn)工作面的成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)工作面安全環(huán)境有了實(shí)質(zhì)性的改善，提高了安全生產(chǎn)效率，在高突礦井區(qū)域性預(yù)抽中，可以推廣使用。

3）通過利用千米鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)巷道長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)，可以提前對(duì)已圈定回采工作面施工預(yù)抽鉆孔，增加工作面抽放時(shí)間，減少工作面回采期間瓦斯涌出量，降低風(fēng)排瓦斯壓力，為回采工作面高效生產(chǎn)提供保障。