千米定向鉆孔抽采裂隙帶瓦斯的應(yīng)用

楊德淼 亓立金

（1.棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)趙家山分公司，山西 太原 030400；2.山東能源集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250014）

趙家山煤礦在施工高位鉆孔抽采鄰近層瓦斯時(shí)，存在鉆孔深入裂隙帶的長(zhǎng)度較短，隨工作面回采，鉆孔垂高變小，進(jìn)入冒落帶后，抽采效果減弱的問題。為提高鉆孔抽采的有效區(qū)段，趙家山煤礦應(yīng)用千米定向鉆機(jī)施工長(zhǎng)距離大孔徑定向鉆孔，將鉆孔始終布置在裂隙帶，持續(xù)抽采高濃度瓦斯。本文以趙家山煤礦2106 工作面千米定向鉆孔抽采裂隙帶瓦斯為例，進(jìn)行應(yīng)用效果分析[1-2]。

1 礦井瓦斯及抽采概況

趙家山煤礦為高瓦斯礦井，核定生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a，采用斜井開拓方式，中央分列式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。2021 年測(cè)定礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為49.31 m3/min，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為25.51 m3/min。

回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)建立地面瓦斯抽放泵站，高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)使用兩臺(tái)2BEC-80 型水環(huán)式真空泵，一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用；低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)使用兩臺(tái)2BEC-62 型水環(huán)式真空泵，一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。綜采工作面采用本煤層預(yù)抽鉆孔、高位鉆孔及采空區(qū)埋管抽采等方法進(jìn)行瓦斯綜合治理。

2 千米定向鉆孔應(yīng)用的必要性分析

隨著回采工作面推進(jìn)，采空區(qū)懸頂面積不斷增大，在上覆巖體重力作用下，巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、變形、垮落等變化。沿垂直方向從下而上，分為頂板冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在采動(dòng)影響下，周邊煤巖體中的瓦斯不斷滲透和擴(kuò)散至裂隙帶。

傳統(tǒng)的高位鉆孔深入裂隙帶的長(zhǎng)度較短，有效鉆孔占比低，有效預(yù)抽期短，鉆機(jī)搬家次數(shù)多，抽采管路布置工程量大，鉆孔軌跡不可控。而千米定向鉆機(jī)配備隨鉆測(cè)量裝置，按設(shè)計(jì)軌跡施工長(zhǎng)距離大孔徑定向鉆孔，將鉆孔始終布置在裂隙帶的有效抽采區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)高效抽采瓦斯。

3 千米定向鉆孔設(shè)計(jì)及施工

3.1 頂板“三帶”理論計(jì)算

煤層裂隙帶高度是千米定向鉆孔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。裂隙帶的高度與覆巖性質(zhì)、煤層傾角、煤層厚度、采空區(qū)尺寸、采煤方法、頂板管理方法及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。2106 工作面采高平均為2.58 m，煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和泥巖，屬于中硬頂板。冒落帶和裂隙帶高度可分別按以下公式計(jì)算：

式中：∑M為累計(jì)采厚，m；Hm為冒落帶高度，m；Hli為裂隙帶高度，m。

代入?yún)?shù)計(jì)算可得：2106 工作面Hm=（8.29±2.2）m，Hli=（33.39±5.6）m，即理論計(jì)算得2106 工作面冒落帶高度為6.09～10.49 m，裂隙帶高度為27.79～38.99 m。

綜合“三帶”理論結(jié)果，初步確定2106 工作面頂板以上6～10 m 為冒落帶，頂板以上27～39 m為裂隙帶，頂板以上39 m 以上為彎曲下沉帶。2 號(hào)煤層頂板以上主要以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和泥巖為主，考慮到巖層成孔性、厚度，設(shè)計(jì)將定向鉆孔布置在2 號(hào)煤層上方25～31 m 處，即砂質(zhì)泥巖上方的細(xì)粒砂巖中，布孔高度約為9～12 倍采高。

3.2 2106 工作面千米定向鉆孔施工設(shè)計(jì)

2106 工作面回風(fēng)順槽定向鉆場(chǎng)布置5 個(gè)鉆孔，編號(hào)D1～D5，鉆孔單孔設(shè)計(jì)深度為300 m，鉆孔工程量為1500 m。由于高位鉆孔在鉆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行集中施工，為了持續(xù)高效抽采裂隙帶瓦斯，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔在空間上采用扇形布置，鉆孔終孔水平投影間距10 m，內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)順槽的距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。終孔層位布置在距離2 號(hào)煤頂板25 m、25 m、28 m、28 m、31 m 內(nèi)的細(xì)粒砂巖層位中。鉆孔開孔高度為：D1、D2 號(hào)孔底板上2 m 位置，D3、D4、D5 孔底板上2.5 m 位置，開孔間距為1 m，均為正角度開孔，彎曲段每3 m 彎曲度為0.5°。鉆孔開孔位置布設(shè)如圖1，2106 工作面回風(fēng)順槽定向鉆場(chǎng)布置參數(shù)見表1。

圖1 鉆孔開孔位置布設(shè)圖（m）

表1 2106 工作面回風(fēng)順槽定向鉆場(chǎng)布置參數(shù)表

鉆孔為二開式孔身結(jié)構(gòu)，其中Φ108 mm 孔徑鉆孔先開孔鉆進(jìn)15 m，然后擴(kuò)孔至Φ153 mm 孔徑，下Φ133 mm 套管15 m 并注漿封孔，再進(jìn)行定向鉆進(jìn)。如圖2。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2。

圖2 2106 工作面千米定向鉆孔平面示意圖（m）

表2 孔身結(jié)構(gòu)參數(shù)

鉆孔施工工藝流程圖如圖3。

圖3 鉆孔施工工藝流程圖

3.3 千米定向鉆孔施工完成情況

2106 工作面千米定向鉆孔均已按設(shè)計(jì)完成施工。在施工D4 號(hào)鉆孔約200 m 時(shí)，遇到塌孔、堵孔問題，為順利完成鉆孔施工，將鉆具后退5 m 施工分支鉆孔，重新鉆進(jìn)期間安排經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆機(jī)工操作，放慢鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)期間水壓突然變大或不穩(wěn)定時(shí)暫停鉆進(jìn)，同時(shí)快速續(xù)接鉆桿，避免長(zhǎng)時(shí)間停鉆導(dǎo)致再次塌孔。

全部鉆孔軌跡符合設(shè)計(jì)要求，均位于裂隙帶，平面、剖面軌跡圖以D5 鉆孔為例，如圖4。

圖4 D5 鉆孔軌跡圖

4 千米定向鉆孔應(yīng)用效果分析

為考察千米定向鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面回采期間，觀測(cè)定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)、回風(fēng)流及上隅角瓦斯變化情況。工作面回采初期裂隙帶內(nèi)的裂隙通道尚未完全發(fā)育，瓦斯抽采濃度較小，隨工作面不斷回采推進(jìn)，采空區(qū)懸頂面積不斷增大，在上覆巖體重力作用下，巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、變形、垮落等變化，采空區(qū)內(nèi)瓦斯通道建立，千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?、流量逐漸上升，并最終在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。抽采數(shù)據(jù)見表3。

表3 抽采數(shù)據(jù)表

效果分析：（1）千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛绕毡樵?0%以上，均為裂隙帶高濃度瓦斯；（2）單孔抽采流量平均1.6 m3/min，抽采流量與傳統(tǒng)高位鉆孔基本一致；（3）千米定向鉆孔與傳統(tǒng)高位鉆孔同時(shí)抽采時(shí)，千米定向鉆孔抽采純瓦斯量3.99 m3/min，對(duì)比僅使用傳統(tǒng)高位鉆孔時(shí)，抽采純瓦斯量增加2.6 m3/min，工作面抽采率由62.7%提高至72.9%；（4）千米定向鉆孔發(fā)揮作用后，在工作面風(fēng)量不變的情況下，回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.52%下降至0.32%，降幅38.4%，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛扔?.54%下降至0.36%，降幅33.3%，極大緩解了生產(chǎn)期間安全壓力。

5 結(jié)語

（1）應(yīng)用千米定向鉆機(jī)在工作面回風(fēng)順槽施工長(zhǎng)距離大孔徑定向鉆孔，可使鉆孔一直處于裂隙帶的有效抽采區(qū)域，且鉆孔軌跡可視，過程可溯。

（2）千米定向鉆孔施工較于普鉆，容易出現(xiàn)卡鉆、塌孔、堵孔，處理不當(dāng)，易造成丟鉆風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)需進(jìn)行設(shè)備打撈，對(duì)操作技術(shù)要求高，需專業(yè)人員施工。

（3）隨工作面回采，裂隙帶發(fā)育，抽采穩(wěn)定后可有效提高工作面瓦斯抽采率，較大幅度降低回風(fēng)流、回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）千米定向鉆孔可增加施工數(shù)量，增加分支鉆孔施工，優(yōu)化施工參數(shù)，逐步減少傳統(tǒng)高位鉆孔施工量。