興峪煤礦高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

劉成軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)陽(yáng)泉煤炭事業(yè)部，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

興峪煤礦位于陽(yáng)泉市盂縣，現(xiàn)采煤層為沁水煤田15 號(hào)煤，煤層厚度6.18～6.78 m，平均6.5 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬(wàn)t/a。根據(jù)綜合測(cè)試鑒定，15#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬不易自燃煤層，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.31～0.4，透氣性系數(shù)為1.294～5.224 m2/MPa2·d，透氣性較差。15#煤層瓦斯含量為8.46～10.89 m3/t，瓦斯壓力為0.23～0.45 MPa。

煤層回采工作面瓦斯涌出都以鄰近層為主、開(kāi)采層為輔，其中，鄰近層瓦斯涌出占60.49%，開(kāi)采層瓦斯涌出占39.51%，屬于高瓦斯礦井。

目前礦井采取順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，由于鉆進(jìn)裝備不具備定向功能，不能控制鉆孔軌跡，鉆孔施工過(guò)程中受地層條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，鉆孔軌跡未按照設(shè)計(jì)成孔，導(dǎo)致工作面形成抽采空白帶。且不能確定抽采空白帶區(qū)域、規(guī)模，對(duì)礦井瓦斯治理造成難題。因此，開(kāi)展15#煤層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯治理技術(shù)研究[1-5]，對(duì)保障煤層瓦斯治理水平和開(kāi)采的安全性具有重要意義。

2 高位定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔施工層位確定

瓦斯高位鉆孔一般施工在裂隙帶內(nèi)的穩(wěn)定巖層內(nèi)。裂隙帶的高度按煤層高度的5 倍計(jì)算，15#煤的煤層高度為6.5 m，則裂隙帶高度為32.5 m。在高度范圍內(nèi)根據(jù)煤層上方巖層情況，選擇普氏系數(shù)小于8 的穩(wěn)定巖層作為鉆孔施工層位。距15#煤層33～39 m 范圍內(nèi)的粉砂巖層抗壓強(qiáng)度大于40 MPa，普氏系數(shù)為7.1，可作為本次定向鉆孔的施工層位。

2.2 鉆孔參數(shù)確定

（1）鉆孔深度及孔徑

鉆孔的孔深主要與巖層情況、鉆機(jī)能力、瓦斯含量等因素有關(guān)。另外，鉆孔深度增大后，其鉆進(jìn)效率及瓦斯抽采效率都會(huì)隨之降低。興峪煤礦15508工作面傾向長(zhǎng)度為180 m，走向長(zhǎng)度為1500 m，鉆孔可按500 m 為間距，分為三段布置。為保證瓦斯抽放效果，綜合考慮各影響因素，確定鉆孔深度為500～700 m。15508 工作面布置方式如圖1。

圖1 15508 工作面布置圖

（2）鉆孔數(shù)量及間距

根據(jù)以往采空區(qū)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，高位定向鉆孔一般與巷道平行布置?？紤]到鉆孔施工時(shí)相鄰鉆孔間會(huì)相互影響，為了保證施工進(jìn)度及鉆孔軌跡精度，高位鉆孔的間距需控制在5～10 m 之間，因此各鉆場(chǎng)的高位孔數(shù)量應(yīng)小于10 個(gè)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定每個(gè)鉆場(chǎng)施工3 個(gè)鉆孔。

根據(jù)通風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)，興峪煤礦15508 工作面在回采期間，其瓦斯最大涌出量為9 m3/min，其中60%為采空區(qū)內(nèi)的瓦斯。為提高抽放效果，設(shè)計(jì)布置3 個(gè)直徑為153 mm 的鉆孔，鉆孔間距為10 m，各鉆孔與回風(fēng)巷分別相距15 m、25 m 及35 m。其平面布置示意圖如圖2。

圖2 高位定向長(zhǎng)鉆孔平面布置示意圖（m）

（3）鉆孔剖面布置形式

高位鉆孔開(kāi)孔位置一般選擇在同一條水平線(xiàn)上，即高度一致，若所開(kāi)采煤層的走向趨勢(shì)無(wú)法確定，則鉆孔在剖面上可選擇上下分層布置，即布置兩排不同高度的鉆孔。興峪煤礦15508 工作面煤層走向不明，則其鉆孔布置形式采用上下分層布置，如圖3。

圖3 高位定向長(zhǎng)鉆孔在剖面分布

2.3 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

在15508 回風(fēng)巷布置3#鉆場(chǎng)，該鉆場(chǎng)共布設(shè)3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔，1#、2#、3#鉆孔的終孔位置與15#煤層的垂直距離分別為22.8 m、20.0 m、17.1 m，具體鉆孔參數(shù)如下（軌跡圖如圖4 所示）。

圖4 高位定向長(zhǎng)鉆孔軌跡示意圖（m）

（1）1#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為11°，開(kāi)孔磁方位角為247°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方22.8 m 的位置，繼續(xù)鉆進(jìn)至510 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內(nèi)。由于1#鉆孔終孔層位的巖性為泥巖，鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆孔斷面縮小或塌孔現(xiàn)象，施工時(shí)需注意，并及時(shí)清理。

（2）2#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為8°，開(kāi)孔磁方位角為255°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方20.0 m 的位置，繼續(xù)鉆進(jìn)至510 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內(nèi)。由于2#鉆孔終孔層位的巖性為中粒砂巖，鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆頭磨損的情況，施工至該層位時(shí)需更換堅(jiān)固性較高的鉆頭及鉆具，保證鉆進(jìn)效率。

（3）3#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為10°，開(kāi)孔磁方位角為266°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方17.1 m 的位置，繼續(xù)鉆進(jìn)至400 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內(nèi)，由400 m 鉆進(jìn)至510 m 期間，終孔位置逐漸調(diào)整降低至35 m 的位置。由于3#鉆孔目標(biāo)層位的巖性為砂質(zhì)泥巖，鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆孔斷面縮小或塌孔現(xiàn)象，施工時(shí)需注意，并及時(shí)清理。

3 定向鉆進(jìn)裝備選型

3.1 定向鉆機(jī)

考慮到設(shè)計(jì)鉆孔的深度為500～700 m，屬于超深鉆孔，且孔徑為153 mm，相對(duì)較大，因此，需選擇鉆進(jìn)能力大，可采用大直徑鉆具的鉆機(jī)。另外，由于興峪煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層周?chē)嬖诙鄠€(gè)地質(zhì)構(gòu)造，加之頂板上方有多個(gè)泥巖層，強(qiáng)度較低，鉆孔成型質(zhì)量將會(huì)受到影響，因此，鉆機(jī)還需具備處理塌孔事故的能力。

綜合考慮，最佳鉆機(jī)選擇方案為ZYL-17000D履帶式全液壓千米定向鉆機(jī)。

3.2 泥漿泵車(chē)

ZYL-17000D 履帶式千米定向鉆機(jī)配備Φ89 mm 五級(jí)螺桿鉆具，其功率較大，要求的泥漿流量不低于375 L/min。為了滿(mǎn)足大功率螺桿鉆具對(duì)泵壓和流量的要求，同時(shí)，考慮井下運(yùn)輸搬遷要求，泵車(chē)需選擇較大流量的BLY390/12 型煤礦井下定向鉆進(jìn)用全液壓履帶泵車(chē)。

3.3 螺旋鉆桿

由于鉆孔孔徑較大，施工時(shí)需采用定向擴(kuò)孔工藝，同時(shí)可提升頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果。另外，由于興峪煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為避免鉆孔發(fā)生塌孔后無(wú)法處理，選型擴(kuò)孔鉆桿要具備復(fù)雜地層高效排渣的能力。經(jīng)過(guò)綜合分析和考慮，優(yōu)選Φ89 mm/73 mm 大通徑寬翼片螺旋鉆桿用于回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

4 瓦斯抽采效果分析

為評(píng)價(jià)高位定向長(zhǎng)鉆孔方案及設(shè)備的瓦斯抽采效果，對(duì)15508 回風(fēng)巷各定向鉆孔的卸壓掏煤量及瓦斯抽采量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。各鉆孔掏煤量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1 可知，定向鉆孔在興峪煤業(yè)實(shí)現(xiàn)了“掏的出”，掏煤卸壓半徑增大，掏煤量突破0.5 m3/m，有利于卸壓增透，溝通裂隙，提高了煤層的透氣性系數(shù)，增加抽采范圍，提高抽采效果。

表1 鉆孔掏煤量統(tǒng)計(jì)

瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高位定向鉆孔的初始最大抽采瓦斯?jié)舛葹?0.6%，初始最大純瓦斯量為0.66 m3/min，回風(fēng)巷鉆場(chǎng)累計(jì)抽采量63 473 m3。可見(jiàn)采用定向高位鉆孔后，工作面的瓦斯抽采量大幅提高，降低了作業(yè)環(huán)境的瓦斯含量，治理效果良好，有效保障了工作面的回采安全。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)興峪煤礦15508 工作面的實(shí)際地層條件，結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，確定出高位定向鉆孔施工層位為煤層頂板上方33～39 m 范圍內(nèi)的砂巖層，鉆孔深度為500～700 m，鉆孔間距為10 m，并對(duì)鉆孔布置及鉆孔軌跡進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)高位定向鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合巷道條件及地層條件，對(duì)定向鉆機(jī)、泥漿泵車(chē)、螺桿鉆具等定向鉆進(jìn)裝備進(jìn)行了合理選型。

（3）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，高位定向鉆孔的掏煤卸壓半徑增大，掏煤量突破0.5 m3/m，卸壓增透效果顯著；鉆場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)的瓦斯含量下降了0.258 m3/t，瓦斯治理效果良好，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。