高位定向長(zhǎng)鉆孔在綜放工作面頂板裂隙瓦斯抽采中的應(yīng)用研究

杜回東

（汾西礦業(yè)集團(tuán)煤礦安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000）

礦井生產(chǎn)過程中瓦斯是制約回采安全的不利因素，同時(shí)隨著礦井采掘深度增加，煤炭開采過程中受瓦斯影響更為明顯[1-2]。瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的主要技術(shù)措施，采空區(qū)瓦斯涌出是綜放工作面瓦斯涌出的主要來源，采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)包括有頂板高位鉆孔、高抽巷、采空區(qū)埋管等，普遍存在鉆孔施工精度不高、工程量大、成本高以及后期維護(hù)工作量大等問題[3-7]。近些年來千米定向鉆機(jī)在超前探測(cè)、防治水以及煤層瓦斯抽采中應(yīng)用逐漸廣泛，將千米定向鉆機(jī)應(yīng)用到綜放工作面頂板裂隙瓦斯抽采中可改變瓦斯流動(dòng)方向，減少采空區(qū)瓦斯向采面涌出量，從而為避免上隅角、回風(fēng)巷出現(xiàn)瓦斯超限問題，實(shí)現(xiàn)采面安全回采。

1 工程概況

山西某礦為高瓦斯礦井，現(xiàn)階段回采3 號(hào)煤層，煤層埋深深度平均360 m，厚度6.8 m，采用綜放開采工藝。3301 綜放工作面為南翼3 采區(qū)首個(gè)綜放工作面，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度1 980 m、斜長(zhǎng)205 m，開采范圍內(nèi)3 號(hào)煤層瓦斯含量平均5.6 m3/t、煤層硬度04～0.62、透氣性系數(shù)0.019 0～0.028 1 m2/（MPa2·d）。采面在回采巷道內(nèi)預(yù)先布置本煤層鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，鉆孔間隔5 m。以往礦井通過布置高抽巷方式對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，雖然可有效降低采空區(qū)瓦斯涌出量，但是存在成本高、巷道施工工程量大等問題。為此，提出采用高位定向鉆孔代替高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出進(jìn)行治理。

2 頂板高位鉆孔設(shè)計(jì)及施工

2.1 鉆孔布置

在3301 綜放工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)間隔600 m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)（長(zhǎng)×寬×高=10 m×5 m×3.5 m），在鉆場(chǎng)內(nèi)施工5 個(gè)高位定向鉆孔。在鉆孔施工過程中可依據(jù)鉆進(jìn)煤巖層松軟、破碎情況布置分支鉆孔。根據(jù)3301綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的高位定向鉆孔終孔位于3 號(hào)煤層頂板上覆15～30 m、距離回風(fēng)巷巷幫3～23 m。具體采面內(nèi)高位鉆孔布置見圖1 所示，施工參數(shù)見表1。

圖1 采面內(nèi)高位鉆孔布置示意圖

表1 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 鉆孔施工設(shè)備

高位定向鉆孔采用ZYWL-6000D 全液壓履帶式鉆機(jī)，并配合測(cè)量系統(tǒng)以及定向鉆桿鉆進(jìn)。鉆孔施工過程中采用的定向鉆桿結(jié)構(gòu)見下頁圖2，鉆桿類型為凹槽螺旋定向鉆桿，該鉆桿具有強(qiáng)度高、信號(hào)傳遞效果好、密閉性強(qiáng)、排渣效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，不僅可滿足復(fù)雜地層使用需要而且可提高鉆孔成孔率及成孔深度。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有信號(hào)傳輸線、探管、顯示屏等構(gòu)成，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 定向鉆桿結(jié)構(gòu)圖

施工的高位頂線鉆孔孔徑均為153 mm，鉆孔施工時(shí)先采用Φ96 mm 鉆頭鉆進(jìn)9 m，隨后分別采用1 173 mm、220 mm 鉆頭擴(kuò)孔并鉆進(jìn)至19 m。鉆孔內(nèi)下放168 mm 封孔管，進(jìn)行注漿封孔，封孔長(zhǎng)度控制在15 m。封孔時(shí)采用的封孔材料為水泥、水、速凝劑等構(gòu)成，并按照1.0∶1.0∶0.2（質(zhì)量比）組成水泥漿進(jìn)行封孔。鉆孔封孔完畢12 h 并確保漿液凝固后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔封孔完成后，及時(shí)封堵鉆場(chǎng)內(nèi)破碎網(wǎng)片，若鉆孔鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔片幫或者頂板不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)立即停止施工并匯報(bào)，待采取措施并確保安全后方可重新施工。

3 高位定向鉆孔瓦斯抽采效果分析

3301 綜放工作面于2021 年8 月19 日回采推進(jìn)至高位鉆孔覆蓋區(qū)，此時(shí)采面與鉆場(chǎng)間距為450 m，在后續(xù)采面回采期間對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采效果以及回風(fēng)巷、上隅角位置瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體高位鉆孔瓦斯抽采情況見表2 所示。

表2 高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)

高位鉆孔瓦斯抽采期間單孔最大瓦斯抽采濃度達(dá)到30%、瓦斯抽采純量可達(dá)到2 417 m3；鉆場(chǎng)內(nèi)施工的5 個(gè)定向鉆孔單日抽采純量可達(dá)到7 378 m3，瓦斯抽采效果較為明顯。采面在高位鉆孔控制范圍內(nèi)推進(jìn)時(shí)，回風(fēng)巷內(nèi)以及回風(fēng)上隅角位置瓦斯?jié)舛确謩e控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%間，瓦斯無超限事故發(fā)生。通過在采面內(nèi)布置高位鉆孔確保了采面回采安全，采面推進(jìn)速度由以往1.8 m/d 提升至2.4 m/d。

4 結(jié)論

1）綜放開采具有產(chǎn)量高、效益好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于開采強(qiáng)度大，采面回采過程中也存在采空區(qū)瓦斯涌出量大問題。為降低采空區(qū)瓦斯涌出量及瓦斯治理成本，提出采用高位頂向鉆孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

2）依據(jù)3301 綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)高位鉆孔布置、施工方案以及瓦斯抽采效果進(jìn)行分析。在回風(fēng)巷內(nèi)間隔450 m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)布置5 個(gè)高位抽采鉆孔，采面回采至高位抽采鉆孔影響區(qū)內(nèi)后，鉆孔抽采濃度最高可達(dá)30%、單日抽采純量最高可達(dá)2 417 m3，采面回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确謩e控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%間，同時(shí)采面推進(jìn)速度由1.8 m/d 提升至2.4 m/d，取得較好瓦斯治理效果。

3）通過3301 綜放工作面高位瓦斯抽采鉆孔應(yīng)用，為采面采空區(qū)瓦斯治理積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)可為礦井后續(xù)采面高位瓦斯抽采提供指導(dǎo)。