定向長鉆孔預(yù)抽長距離薄煤層群石門揭煤防突設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究與應(yīng)用

王鑫 WANG Xin

（中煤第一建設(shè)有限公司第四十九工程處，邯鄲 056003）

1 施工技術(shù)研究

我國煤礦地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，在煤的形成過程中伴隨著甲烷氣體的產(chǎn)生，賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，俗稱“瓦斯”，煤礦瓦斯災(zāi)害威脅尤其嚴(yán)重，瓦斯治理是高瓦斯、突出礦井安全開采的前提條件，而抽采瓦斯則是防治煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施。

隨著礦井開采深度的增加，礦井地質(zhì)條件惡化，原始煤層瓦斯含量、壓力增加，石門揭煤安全威脅大，為使瓦斯從煤的表面解吸下來，一是靠降低煤層瓦斯壓力來解決，主要辦法是通過打孔預(yù)抽來降低壓力；二是讓從煤層表面解吸下來的瓦斯順利穿過裂縫進(jìn)入布設(shè)的鉆孔內(nèi)。

普通鉆機(jī)鉆孔施工工藝存在鉆孔施工距離短、軌跡不可控、預(yù)抽期短、影響單進(jìn)等缺點(diǎn)，并且無法實(shí)現(xiàn)長距離區(qū)域性防突，在近法距薄煤層群的條件下存在治理區(qū)域不能有效控制，抽采盲區(qū)、空白帶增多的現(xiàn)象，無法滿足掘、抽銜接需要，帶來安全隱患。

普通鉆機(jī)鉆孔揭煤施工的鉆孔數(shù)量多，一般采用“迎頭+鉆場”布置穿層預(yù)抽鉆孔施工，多部鉆機(jī)同時(shí)施工受斷面限制、風(fēng)量限制，施工工期長、鉆場工程量大，如遇薄煤層群穿層鉆孔施工過程中這種現(xiàn)象更為突出，陷入措施循環(huán)次數(shù)多、治理工程量大、抽采效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)不能有效控制的局面。

國內(nèi)外同類研究進(jìn)展情況：

目前，石門揭煤抽放瓦斯系統(tǒng)多采用礦井集中抽放系統(tǒng)，地面設(shè)置抽放泵站，由泵站到井下敷設(shè)主管、干管、分管（或支管）至鉆場鉆孔。

石門揭煤抽放瓦斯方式，國內(nèi)外的石門揭煤區(qū)域防突措施，多采用由巖巷向煤層打穿層鉆孔的穿層式布孔方式，穿層鉆孔施工為使煤層泄壓更充分，鉆孔揭露煤層面積更大，盡可能布置密集鉆孔，以提高煤層透氣性和瓦斯抽放效率，受巷道及鉆場空間約束，鉆孔布置密集時(shí)鉆孔間距小易造成穿孔及巖體整體性破壞，鉆孔數(shù)量多封孔工作量較大聯(lián)孔較繁瑣，易出現(xiàn)封孔效果不佳抽采效果差，工作面抽放率在10%～30%之間。

定向長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)是煤炭行業(yè)目前大力推廣的技術(shù)，在生產(chǎn)礦井的采掘過程中應(yīng)用較多。在礦井建設(shè)期間，存在近法距薄煤層群、且均為突出煤層的礦井?dāng)?shù)量并不多，實(shí)踐實(shí)例也較為有限。

采用定向鉆進(jìn)及隨鉆測量技術(shù)施工的小曲率梳狀長鉆孔，具有：鉆孔軌跡可控，主孔內(nèi)可開多個(gè)分支孔、抽采區(qū)域大，鉆孔長度和鉆孔成型穩(wěn)定，鉆孔超前性強(qiáng)、抽采時(shí)間長、抽采效果好等特點(diǎn)。一是節(jié)省瓦斯治理鉆場造成的成本；二是鉆孔抽采控制區(qū)域大，抽采時(shí)間充足，瓦斯抽采效果好，工作面抽放率可達(dá)40%～80%揭煤安全保障高。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 四十九處工程概況

筆者單位長期從事礦山基本建設(shè)，具備立井、平巷、斜井等井巷工程揭煤施工的成熟技術(shù)，尤其在石門揭煤施工方面有多種成熟的施工工法和經(jīng)驗(yàn)，取得了一系列的成果。

現(xiàn)擁有履帶式鉆機(jī)、水壓力泵站、千米定向鉆機(jī)及配套設(shè)備等大型施工設(shè)備，與各大科研院所的長期合作，可滿足長距離薄煤層群石門揭煤的施工。

目前將定向長鉆孔施工技術(shù)應(yīng)用于長距離薄煤層群石門揭煤的施工，在高家莊煤礦上煤組二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷。防突施工中，實(shí)現(xiàn)長距離薄煤層群石門揭煤安全快速高效。

2.2 設(shè)備選型

圖1 上組煤二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷4、5 號(hào)煤層預(yù)抽鉆孔的平面設(shè)計(jì)圖

普通鉆機(jī)鉆孔揭煤施工的鉆孔距離短、并且無法實(shí)現(xiàn)長距離區(qū)域性防突，在近法距薄煤層群的條件下存在治理區(qū)域不能有效控制，瓦斯治理盲區(qū)、空白帶增多現(xiàn)象，無法滿足掘、抽銜接需要，陷入安全風(fēng)險(xiǎn)不能有效控制的局面，帶來安全隱患。利用定向鉆機(jī)的造斜功能和軌跡測量功能，實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔“一孔多用”和“層位控制”等功能，滿足抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判需要。

并且定向長鉆孔鉆孔距離長、循環(huán)次數(shù)少，鉆場、鉆孔數(shù)量少，措施工程量小、施工工期短，且僅一部鉆機(jī)作業(yè)不易受斷面及風(fēng)量限制，具有鉆孔軌跡可控、單次預(yù)抽期長、措施抽采效率高、單進(jìn)水平高等優(yōu)勢，以施工小曲率梳狀鉆孔，代替穿層攔截鉆孔，保證薄煤層群瓦斯抽采效果，揭煤安全保障高。提高鉆孔利用率，降低鉆場、鉆孔工程量，保證薄煤層群卸壓瓦斯抽采效果。

2.3 使用方式

高家莊煤礦上組煤二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷在北進(jìn)風(fēng)井井底車場南側(cè)，上組煤二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷350m。揭露巖層位于二疊系（P）下統(tǒng)下石盒子組（P1x），巷道頂板上部煤層為5 號(hào)煤層：上組煤二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷頂板上5 號(hào)煤層賦存于山西組下部，厚度為1.1m，煤層中未含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單。5 號(hào)煤層上距4 號(hào)煤層8.77m；4 號(hào)煤層厚度平均為1.3m，4 號(hào)煤原煤瓦斯含量在7.65～11.23m3/t 之間，原始瓦斯壓力0.46～0.55MPa，煤層透氣性系數(shù)0.3295～0.3729m2/（MPa2·d），屬于可以抽采煤層；5 號(hào)煤原煤瓦斯含量在10.35～11.76m3/t 之間，原始瓦斯壓力0.48～0.53MPa，煤層透氣性系數(shù)0.4274m2/（MPa2·d）。目前高瓦斯礦井在進(jìn)行煤炭生產(chǎn)必然有一定數(shù)量的巷道接近煤層，而長距離薄煤層群石門揭煤巷道掘進(jìn)是非常困難的，需要提前采取防突措施，施工的鉆孔越短則施工的瓦斯抽放次數(shù)越多，定向長鉆孔方法利用定向長鉆孔代替短鉆孔能減少鉆場數(shù)量，且一個(gè)主孔內(nèi)施工n 多個(gè)分支孔，加大抽放斷面有效的大范圍預(yù)抽本煤層，提高抽放效果。應(yīng)用定向長鉆孔預(yù)抽長距離薄煤層群石門揭煤區(qū)域防突施工及長距離薄煤層群石門揭煤快速施工新技術(shù)，可保證施工安全，加快施工速度，降低施工成本，提高安全系數(shù)，為類似工程提供寶貴的借鑒，具有良好的推廣應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

高家莊煤礦上煤組二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷施工成本對(duì)比：

①高家莊煤礦上煤組二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷施工起累計(jì)抽采瓦斯約22 萬立方，經(jīng)計(jì)算該區(qū)域已抽采達(dá)標(biāo)，可以掘進(jìn)350m。按單一的普通穿層鉆孔預(yù)抽，每循環(huán)鉆孔控制條帶長度60m，抽采達(dá)標(biāo)后僅能掘進(jìn)40m，要掘進(jìn)350m 需要施工8 個(gè)循環(huán)的穿層鉆孔。按照穿層鉆孔布置方式，每循環(huán)需施工兩層煤共7680m 鉆孔（192 個(gè)），施工及抽采時(shí)間至少2 個(gè)月，8 個(gè)循環(huán)共需16 個(gè)月。采用定向施工，平均每循環(huán)可節(jié)約工時(shí)9 個(gè)月，高家莊煤礦上煤組二盤區(qū)集中回風(fēng)巷350m 采取定向鉆孔抽采要比采取普通穿層鉆孔抽采節(jié)約打鉆抽采時(shí)間10 個(gè)月。

②根據(jù)工程施工進(jìn)度，實(shí)施各子項(xiàng)目研究成果的工程應(yīng)用和工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、測試、總結(jié)與優(yōu)化。與普通鉆孔方法相比重點(diǎn)比較兩種方式在工程進(jìn)度、人工、設(shè)備租賃等環(huán)節(jié)。

施工控制巷道前方350m。定向鉆孔投入20 萬元。累計(jì)施工定向鉆孔約50000m，共計(jì)投入約100 萬元。

對(duì)薄煤層群采取瓦斯綜合治理，平均每月抽采瓦斯純量60 萬立方，抽至地面泵站濃度保持在25%以上，向瓦斯電站提供穩(wěn)定氣源，每月利用量50 萬立方。預(yù)計(jì)每年瓦斯利用量300 萬立方，為礦井創(chuàng)造直接效益70 萬元。

采用普鉆工藝對(duì)上煤組二盤區(qū)集中輔運(yùn)巷進(jìn)行抽采作業(yè)，至少需要施工8 個(gè)鉆場，折合成巷道進(jìn)尺大約為40米，當(dāng)前巷道成本為7000 元/m，可節(jié)約大約28 萬元。

鉆孔施工采用防噴系統(tǒng)后未再次發(fā)生瓦斯超限事故，避免了因打鉆超限造成礦井停產(chǎn)整改，若按減少停產(chǎn)4 天計(jì)算，相當(dāng)于該系統(tǒng)增產(chǎn)約8000 噸以上，止損金額800 萬元。

定向鉆機(jī)配套反沖洗過濾清洗裝置循環(huán)水利用系統(tǒng)：過濾器裝置價(jià)格24 萬元，其他裝置0.3 萬元，全套循環(huán)水處理裝置24.3 萬元，日處理復(fù)用水量300m3，礦井排水費(fèi)用1.5 元/m3。礦井水處理費(fèi)用8 元/m3，合計(jì)水處理9.5 元/m3。日節(jié)約水處理費(fèi)用0.285 萬元，年節(jié)約水處理費(fèi)用104萬元。

350m 巷道若采用普通穿層、順層鉆孔施工，預(yù)計(jì)工程量為5 萬米，采用定向長鉆孔“一孔多用”可避免單獨(dú)施工地質(zhì)鉆孔，預(yù)計(jì)可節(jié)約1700m 的地質(zhì)鉆孔工程量。施工后節(jié)約了這部分鉆孔，可節(jié)約5 萬元。

抽采量計(jì)算：以每60m 探3 個(gè)200m 鉆孔計(jì)算，一個(gè)定向鉆場能夠節(jié)省地質(zhì)鉆孔1600m，節(jié)約工時(shí)8～10 天。平均每月抽采濃度25%以上瓦斯純量60 萬立方，每月利用量達(dá)到50 萬立方以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

施工進(jìn)度計(jì)算：采用普通旋轉(zhuǎn)非定向鉆機(jī)施工鉆孔時(shí)，不考慮鉆機(jī)故障，移運(yùn)鉆機(jī)和施工鉆孔約需一周時(shí)間，抽采按規(guī)定至少需要20 天，效果檢驗(yàn)及抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判需要3 天，共1 個(gè)月不能掘進(jìn)；抽采達(dá)標(biāo)后，一循環(huán)也僅能掘進(jìn)40m，嚴(yán)重制約了掘進(jìn)進(jìn)度。采用定向鉆機(jī)施工定向長鉆孔時(shí)，施工加上抽采約需4 個(gè)月，按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求的最小長度300m 計(jì)算，平均每月有75m 巷道抽采達(dá)標(biāo)，掘進(jìn)進(jìn)度是普通順層鉆孔的約2 倍。而定向長鉆孔開孔布置在巖層中，且采用下套管“兩堵一注“的注漿方式封孔，抽采效果更有保障。

工期及效益計(jì)算：高家莊煤礦近距離薄煤層群定向長鉆孔瓦斯綜合治理技術(shù)試驗(yàn)成功，相比采用普通穿層、順層鉆孔治理，經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目部共有3 個(gè)巷道，分別為上煤組二盤區(qū)帶式輸送機(jī)巷、上煤組二盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷、上煤組二盤區(qū)集中回風(fēng)巷。巷道工期節(jié)約20 個(gè)月；采用定向長鉆孔效益計(jì)算：3 個(gè)巷道累計(jì)投入100 萬元，預(yù)計(jì)產(chǎn)出1600萬元，收益1600-100=1500 萬元。另外對(duì)類似礦井瓦斯綜合治理也具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。

2.4 設(shè)備使用中重要技術(shù)問題研究

2.4.1 定向長鉆孔設(shè)計(jì)

經(jīng)現(xiàn)場多次定向長鉆孔施工，驗(yàn)證及完善設(shè)定，為工程施工成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。施工前必須滿足定向長鉆孔鉆機(jī)就位及作業(yè)的配套提升、運(yùn)輸、電力、通風(fēng)、供水、排渣及排水的多種條件，通過對(duì)長距離薄煤層群地質(zhì)情況分析，布孔方式的分析，鉆進(jìn)方法的分析，將定向長鉆孔方法應(yīng)用于長距離薄煤層群石門揭煤區(qū)域防突施工中，研究鉆孔設(shè)計(jì)、鉆場規(guī)劃、抽掘銜接、強(qiáng)化措施，以實(shí)現(xiàn)長距離薄煤層群石門揭煤安全快速高效。

2.4.2 設(shè)備使用中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避技術(shù)問題

鉆孔施工期間未正確使用防噴裝置、成孔未及時(shí)封孔連抽、停鉆前未將鉆孔內(nèi)煤渣排凈，可能造成鉆孔內(nèi)瓦斯積聚、壓力增大，強(qiáng)烈瓦斯涌出引發(fā)噴孔、塌孔，引發(fā)瓦斯事故。鉆孔鉆進(jìn)時(shí)煤體著火，孔內(nèi)一氧化碳涌出可能造成一氧化碳超限及人員中毒風(fēng)險(xiǎn)。由于定向長鉆孔鉆進(jìn)時(shí)前方賦存巖性及地質(zhì)構(gòu)造的不確定性，以及司鉆人員操作技能的原因造成卡鉆或風(fēng)力馬達(dá)損壞，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.4.3 施工中重要技術(shù)問題研究

研究內(nèi)容：通過對(duì)長距離薄煤層群地質(zhì)情況分析，布孔方式的分析，鉆進(jìn)方法的分析，將定向長鉆孔方法應(yīng)用于長距離薄煤層群石門揭煤區(qū)域防突施工中，實(shí)現(xiàn)長距離薄煤層群石門揭煤安全快速高效。

需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題：①供、排水及排渣受限。定向鉆進(jìn)采用水力驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，水量達(dá)15m3/h，用水量較大，需合理布置供排水系統(tǒng)，排出的廢水泥漿、巖渣較多，需設(shè)置沉淀池沉淀，否則易造成排水設(shè)備的損壞，當(dāng)無出矸系統(tǒng)時(shí)現(xiàn)場易堆積大量煤渣。②控制鉆進(jìn)探明煤層頂?shù)装寮百x存地質(zhì)構(gòu)造。由于定向長鉆孔鉆進(jìn)時(shí)前方煤體賦存情況不清晰，鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)突遇巖石的情況（頂板、底板或地質(zhì)構(gòu)造），造成施工長距離鉆孔或特定設(shè)計(jì)鉆孔帶來難題。在施工過程中通過壓力表信息反饋以及氣水分離裝置返渣情況判斷出目前孔內(nèi)鉆進(jìn)情況，通過開設(shè)分支鉆孔可保證鉆頭始終在煤體內(nèi)鉆進(jìn)，減少無用鉆孔的施工，提高單孔瓦斯抽放量。

2.4.4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

①研究近法距薄煤群定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的布孔規(guī)劃，使近法距薄煤層群揭煤實(shí)現(xiàn)聯(lián)合抽采、立體抽采，為瓦斯治理爭取時(shí)間和空間。②形成針對(duì)定向鉆孔實(shí)施過程中薄弱區(qū)域的截流抽采技術(shù)，強(qiáng)化瓦斯治理效果。③應(yīng)用氣相壓裂增透技術(shù)，提高煤層透氣性，提高定向鉆孔抽采過程中的抽采濃度。④礦井以瓦斯抽采為主期間，瓦斯抽采中定向鉆進(jìn)和普通旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆孔控制范圍全覆蓋，消除瓦斯治理空白帶；利用定向鉆機(jī)的造斜功能和軌跡測量功能，搭配自行研發(fā)設(shè)計(jì)的防噴系統(tǒng)，確保施鉆期間瓦斯管理安全可靠；實(shí)現(xiàn)分源抽采和分單元計(jì)量，滿足抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判需要。

3 結(jié)束語

該技術(shù)的成功研究與應(yīng)用，解決了常規(guī)鉆孔施工距離短、預(yù)抽期短、影響單進(jìn)等缺點(diǎn)且無法實(shí)現(xiàn)區(qū)域性防突，無法滿足掘、抽銜接需要的施工難題，避免了石門揭煤區(qū)域防突存在的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了長距離薄煤層群石門揭煤區(qū)域安全快速施工。預(yù)期可達(dá)到國際領(lǐng)先或國際先進(jìn)水平。