礦井本煤層預(yù)抽與千米定向鉆抽采相結(jié)合的瓦斯治理實(shí)踐

牛亮紅

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司）

煤礦井下的定向鉆孔不僅具有軌跡精準(zhǔn)可控，而且還具有鉆進(jìn)深度大、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外硬煤層瓦斯的高效抽采和治理手段。針對現(xiàn)有的水平定向鉆井治理瓦斯以及鉆孔預(yù)抽瓦斯受時間和空間限制的問題，結(jié)合煤礦井下瓦斯防治的實(shí)際需求，將本煤層預(yù)抽和回風(fēng)順槽頂板千米高位定向鉆相結(jié)合，引入到煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域，用來解決煤層抽采距離短、瓦斯抽采孔成孔性差、透氣性差、抽采區(qū)域小等一些難題，并于福達(dá)煤礦成功應(yīng)用，工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限問題得到改善［1-5］。

1 工程概況

福達(dá)煤業(yè)位于山西省長治市武鄉(xiāng)縣東北部的墨鐙鄉(xiāng)以北1 km處，在2020年經(jīng)山西省委、省政府批準(zhǔn)，成立晉能控股集團(tuán)，該礦隸屬晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長治公司。15203工作面位于15#煤層，太原組底部，與8#煤層平均間距約78.42 m。煤質(zhì)較松軟，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，穩(wěn)定可采。根據(jù)華北科技學(xué)院的《煤塵爆炸性測試報告》，15#煤層煤塵具有爆炸性，屬Ⅱ級自燃煤層（自燃發(fā)火期為82 d），游離瓦斯占比高。根據(jù)2020年《礦井瓦斯涌出量測定報告》，回采工作面絕對瓦斯涌出量為29.80 m3/min，為高瓦斯礦井。福達(dá)煤業(yè)有效預(yù)抽期短、抽采達(dá)標(biāo)需要時間較長，礦井開采強(qiáng)度大，容易造成工作面瓦斯超限。為有效治理礦井瓦斯，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，經(jīng)多年探索逐步形成了以本煤層預(yù)抽和回風(fēng)順槽頂板千米高位定向鉆相結(jié)合的抽采工藝，實(shí)現(xiàn)“大范圍區(qū)域預(yù)抽為主，局部治理為輔”的綜合瓦斯防治技術(shù)體系。

2 本煤層鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)及施工工藝

2.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

在15203回風(fēng)順槽內(nèi)施工順層預(yù)抽鉆孔進(jìn)行本煤層預(yù)抽。布置順層雙排鉆孔，上排鉆孔長110 m，下排鉆孔長111 m。上排鉆孔距頂板1.5 m，水平方向與巷道夾角為90°；下排鉆孔與上排鉆孔垂直間距1 m，水平方向與巷道夾角為85°。

上下2排鉆孔成三花眼布置，單排鉆孔間距為2 m，鉆孔傾角與工作面煤層傾角相同，一般為8°～16°，平均為14°，孔徑為94 mm，采用囊袋式注漿封孔，封孔長度為16 m（圖1、圖2）。

2.2 本煤層施工設(shè)備及工藝

2.2.1 本煤層施工設(shè)備

采用ZDY3500LQ型鉆機(jī)一次成孔，適于在煤礦井下穩(wěn)定硬巖中施工瓦斯抽放鉆孔。鉆桿選用鋼材質(zhì)φ73 mm摩擦焊鉆桿，每節(jié)為1.5 m。

2.2.2 本煤層施工工藝

篩管采用從鉆孔內(nèi)直接下入護(hù)孔篩管工藝，護(hù)孔篩管為φ32 mm帶有篩眼的抗靜電阻燃聚氯乙烯管（以下簡稱PVC管），采取全孔長加裝篩管。封孔鉆孔采用三堵兩注注漿封孔，封孔長度為16 m，封孔管為φ50 mm的PVC管（阻燃、抗靜電），注漿管及排氣管選用φ16 mm的鋁塑管，封孔方法如圖3所示。

鉆孔封孔完畢，要及時連管抽采（包括報廢鉆孔或未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的鉆孔）；鉆孔匯集支管設(shè)置觀測凸臺和控制閥門。鉆孔連接采用氣水分離連接法，每組20個（上、下排各10個）鉆孔，在鉆孔上下側(cè)敷設(shè)2趟抽采管路。其中位于鉆孔上部的一趟φ90 mmPVC管路走氣，位于鉆孔下部的一趟φ63 mmPVC管路排水，位于排水管路最低處安裝放水器用于放水，管路安裝要求橫平豎直。

管網(wǎng)工程本煤層鉆孔采用高負(fù)壓抽采系統(tǒng)。15203回風(fēng)順槽敷設(shè)一趟φ273 mm×6抽采管路，φ273 mm抽采管路接入15203運(yùn)輸順槽敷設(shè)的φ325 mm高負(fù)壓抽采管路。鉆孔通過PVC管連接抽采支管，鉆孔組抽采管路安裝布置見圖4。

高負(fù)壓抽采系統(tǒng)壓力路徑：瓦斯泵站→回風(fēng)立井→15號煤回風(fēng)大巷→二采區(qū)回風(fēng)下山→15203運(yùn)輸順槽聯(lián)絡(luò)巷→15203運(yùn)輸順槽→本煤層鉆孔。

3 工作面裂隙帶千米定向鉆孔

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

煤層開采后在上覆巖層中會形成2類裂隙，一類是離層裂隙，另一類是豎向斷破裂隙；在采空區(qū)的豎直方向上，從上往下逐步形成彎曲下沉帶、斷裂帶和垮落帶。回采后，垮落后形成的離層及裂隙的分布狀態(tài)對瓦斯的流動會產(chǎn)生較積極的影響，因?yàn)殡x層裂隙是瓦斯積聚和流動的主要通道。層間貫通的豎向裂隙則是瓦斯進(jìn)入工作面和采空區(qū)的重要通道，層間貫通發(fā)育的最大高度與巖性、巖石密度、采高有關(guān)。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定的范圍后，導(dǎo)氣的裂隙在平面上呈O型圈特征分布，它是正常回采期間鄰近層卸壓后瓦斯流向采空區(qū)的主要通道之一。如圖5所示。

采空區(qū)裂隙帶定向千米長鉆孔實(shí)現(xiàn)了對斷裂帶、部分采空區(qū)及受采動影響的鄰近煤層瓦斯的抽采。結(jié)合覆巖移動規(guī)律和瓦斯的流動特點(diǎn)，鄰近層瓦斯和冒落區(qū)瓦斯的主要集聚區(qū)便是斷裂帶中、下部裂隙，此處瓦斯具有濃度大、含量高的特點(diǎn)，這是布置鉆孔的極佳區(qū)域。此外，應(yīng)盡量使鉆孔布置在相對穩(wěn)定的巖層內(nèi)，保證鉆孔的完整性。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)

鉆孔采用二開式孔身結(jié)構(gòu)，下一層套管，主要目的為穩(wěn)定孔口地層，方便鉆孔瓦斯抽采，具體孔身結(jié)構(gòu)見表1。

3.2.2 鉆場設(shè)計(jì)

根據(jù)定向鉆機(jī)及其定向鉆桿的結(jié)構(gòu)特征，項(xiàng)目設(shè)計(jì)將15203回風(fēng)巷進(jìn)行擴(kuò)刷作為鉆場，鉆場為直角梯形，外寬為9 m，深度為4 m，內(nèi)寬為5 m，與巷道同高，見圖6。同時在鉆機(jī)前后方底板上各打4根錨桿，單根錨索抗拉不小于8 t，用于穩(wěn)固鉆機(jī)。鉆場外下坡處需施工1個水倉和沉淀池，水倉尺寸3 m×1.0 m×1.2 m（長×寬×深），并采用專用排水泵排水，且鉆場靜壓水水量要求大于24 m3/h。

3.3 鉆孔布置范圍

布置高位鉆孔的空間應(yīng)為瓦斯來源較廣、瓦斯釋放較活躍的區(qū)域。當(dāng)工作面向前推進(jìn)時，后方的采空區(qū)沿垂直方向形成“三帶”。隨著每一次巖層應(yīng)力的重新分布，在鄰近層和開采層之間的一定空間范圍內(nèi)就會形成一個網(wǎng)狀分布的巖石裂隙帶，形成了卸壓瓦斯的流動通道，在該范圍內(nèi)抽放瓦斯效果最好。開采后負(fù)壓的作用主要分布在頂板裂隙帶內(nèi)且靠近采面回風(fēng)側(cè)。高位鉆孔的抽放負(fù)壓加速了裂隙帶內(nèi)瓦斯的流動。根據(jù)采動裂隙O形圈理論及現(xiàn)場實(shí)際觀測，鉆孔沿傾向布置范圍靠近回風(fēng)順槽1/3工作面傾向?qū)挾龋@孔應(yīng)布置在靠近回風(fēng)順槽0～72 m范圍內(nèi)。

共布置3個鉆場，合計(jì)工程量為6 675 m（按實(shí)際施工為準(zhǔn)）。以1#鉆場為例，1#孔距離煤層頂板29 m，2#鉆孔距離煤層頂板32 m，3#鉆孔距離煤層頂板35 m，4#鉆孔距離煤層頂板37 m，5#鉆孔距離煤層頂板39 m，水平投影距15203回風(fēng)巷右?guī)头謩e為15，20，25，30，35 m處。

4 結(jié) 語

通過在福達(dá)煤業(yè)應(yīng)用本煤層與千米定向鉆相結(jié)合的施工設(shè)計(jì)，對煤層瓦斯首先進(jìn)行預(yù)抽，其次在回采期間對工作面的上隅角及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯通過高位定向鉆孔進(jìn)行抽采，瓦斯抽采效果好，可隨回采過程中鉆孔抽采效果及時調(diào)整層位，有力地保證了礦井的安全生產(chǎn)。該方案具有一定推廣價值。