煤礦頂板定向探放水鉆孔“一孔多用”方案探討

郭瑞強姚宇馬兆峰

（1.潞安礦業集團公司地質處，山西 長治 046204；

2.山西潞安集團余吾煤業有限責任公司地測科，山西 長治 046199；3.山西潞安金源煤層氣有限公司地測部，山西 長治 046204）

關鍵字 瓦斯抽采孔；施工方法；一孔多用

0 引言

水害和瓦斯突出是煤礦安全生產中頻發的事故類型。近些年來，隨著礦井開采逐步向著縱深發展和橫向延伸，地質條件也變得更加復雜，面臨的水害和瓦斯突出問題更加嚴重，礦井針對性的采取治理措施的必要性愈加凸顯，但同時也導致礦井的開采成本越來越高。因此，探索采用一種能有效緩解當前治理水害、瓦斯突出與降低開采成本矛盾的“一孔多用”技術，對當前礦井生產顯得尤為重要。

1 礦井基本情況

余吾煤業是一座特大型的現代化礦井，井田面積160 km2，生產規模600萬t/a，批準開采3號煤層，開采深度+400 m標高，屬于高瓦斯礦井。根據3號煤層賦存條件等因素，將井田劃分為北一、北二、北三、南一、南二、南三、南五、南六8個采區。根據3號煤層的賦存特點及頂底板的巖性，結合井下主輔運輸方式，井下大巷除軌道大巷沿3號煤層底板巖層布置外，其余巷道沿3號煤層布置。礦井3號煤層正常涌水量約281 m3/h，最大涌水量約370 m3/h，涌水量級別為中等。

2 礦井地質概況

井田位于沁水煤田潞安礦區西部，根據井田內鉆孔揭露情況，對井田地層分述如下：

（1）奧陶系中統上馬家溝組（O2s）

巖性為泥質灰巖、石灰巖組成，夾雜方解石脈，局部地層破碎，巖溶裂隙發育，該層為本區主要含水層之一，最大揭露厚度為219.83 m。

（2）奧陶系中統峰峰組(O2f)

巖性為角礫狀泥灰巖、白云質泥灰巖、石灰巖組成。為煤系基底。厚度195.11 m～205.85 m，平均198.80 m。

（3）石炭系中統本溪組（C2b）

巖性為灰色、深灰色泥巖及磚灰色鋁質泥巖、粉砂巖互層。厚度4.55 m～14.79 m，平均12.70 m。與下伏地層呈假整合接觸。

（4）石炭系上統太原組(C3t)

本組厚度91.38 m～123.46 m，平均103.59 m。由灰黑色泥巖、粉砂巖、砂巖、石灰巖和煤層組成。含石灰巖5層(K6、K5、K4、K3、K2)。以K5和K2灰巖最為穩定，為主要標志層。含煤層15層，自上而下分別為5、6、7、8-1、8-2、9上、9、11、12-1、12、13、14、15-1、15-2、15-3號煤層，其中可采煤層4層(9、12、15-2、15-3號)，可采煤層平均總厚2.88 m（詳見28頁表1）。與下伏地層整合接觸。

（5）二疊系下統山西組(P1s)

本組厚43.15 m～64.90 m，平均51.15 m。變化不大，由灰色粉砂巖、砂巖和深灰色泥巖、砂質泥巖及煤層組成。含煤4層，為1、2、3、4號煤層，其中3號煤層為穩定可采煤層，其他均屬不穩定、不可采煤層。可采煤層平均厚6.02 m，3號煤頂板K8砂巖較為穩定。

（6）二疊系下統下石盒子組(P1X)

巖性為綠灰、灰白色夾紫紅色含鋁泥巖，層位穩定，是良好的標志層。本組厚45.00 m～79.60 m，平均63.57 m。

（7）二疊系上統上石盒子組（P2s）

本組井田內一般保存不全。厚479 m～523.50 m，平均503.62 m。主要為砂巖和雜色泥巖。

（8）二疊系上統石千峰組(P2sh)

井田內僅西部保存完整。厚192.20 m。主要由紫紅色泥巖與黃綠色、磚紅色砂巖組成。

（9）第四系(Q)

為井田的主要松散覆蓋層。厚0 m～139.48 m，平均44.53 m。

表1 可采煤層特征

3 主要含水層富水性情況

本井田主要含水層自上而下有第四系孔隙含水層組、基巖風化帶含水層、二疊系上統和下統下石盒子組含水層組、二疊系下統山西組含水層組、石炭系上統太原組含水層組和奧陶系中統峰峰組含水層組。

因本文針對北一采區N1102采煤工作面3號煤頂板K8砂巖含水層進行探放水，所以現僅介紹北一采區3號煤層頂板含水層含水性情況。根據補充勘探施工的水文孔屯補-4等鉆孔抽水試驗資料成果，3號煤層頂板巖組為二疊系上、下石盒子組含水層組，主要由中、細粒砂巖等組成，包括K8、K10、K11和K13及其間的砂巖，平均厚度12.55 m。含水空間以砂巖裂隙為主。據301號鉆孔對該含水層位抽水試驗資料：q=0.007 L/s.m，K=0.076 m/d，水質類型為 HCO3-K+Na型，補給來源差，屬局部富水（詳見圖1）。

圖1 3號煤層頂板K8砂巖含水層綜合成果及原N1102工作面高抽巷及探頂板水鉆孔

N1102采煤工作面膠帶順、回風順槽長約為1 200 m，切眼長度約為300 m。根據圖1可知，回采里程0 m～223 m及1 050 m～1 200 m分別存在頂板K8砂巖富水異常區，543 m～658 m、796 m～1 021 m存在奧灰富水異常區（詳見圖1c）。預測最大涌水量為150 m3/h，正常涌水量為50 m3/h～80 m3/h。頂板K8砂巖平均厚度3.83 m，巖性以中粒砂巖為主，下距主采3號煤層約33 m（詳見圖2）。

圖2 N1102工作面巖層柱狀

4 “一孔多用”方案及施工工藝探討

為了達到一孔多用的目的，需在巷道內設置鉆場進行鉆孔施工，先對頂板富水區水進行探放，然后再將探放水孔進行改造、延伸用作頂板瓦斯抽采孔，替代布置高抽巷進行抽采。

方案中鉆孔施工是采用ZDY6000LD(A)型全液壓坑道定向鉆機，該鉆機既可用于中、深孔煤礦瓦斯抽采鉆孔施工，也可用于井下探放水、地質構造和煤層厚度探測、煤層注水、頂底板注漿等各種定向鉆孔施工，解決了井下煤電鉆與探水鉆不能混用的問題【1】。

4.1 定向鉆孔順層高度選擇

依據頂板K8砂巖富水異常區的高度和一般對瓦斯抽采孔布置高度要求【2，3】，以及采煤工作面后方的頂板垮落帶高度與采高（3.5 m）的關系【4】，初步將順層鉆孔選擇在距離煤層頂板28 m～33 m高度之間（見圖3）。

圖3 定向鉆孔剖面

4.2 施工流程

分為：定向探放水鉆孔和定向探放水鉆孔的改造再利用施工。

4.2.1 定向探放水鉆孔的施工

方案設計，定向鉆孔施工。具體介紹如下：

4.2.1.1 方案設計

（1）鉆場的確定。在1號橫貫內布置鉆場，施工鉆孔探放4號富水區水；在1、2、3號鉆場內施工鉆孔探放1號富水區水。

（2）鉆場的參數及布置。在幫內開出一半煤巖硐室作為鉆場，深3 m，長5 m，高6.5 m；鉆場后方必須布置安全躲避峒室，在鉆場內挖一沉淀池（長1.5 m、寬1.5 m、深1 m），用水泥砂漿澆灌，中間隔，同時兼做頂板水排放的臨時水倉。

（3）鉆孔布置。每個鉆場內布置6個～7個鉆孔，每個鉆孔間隔0.4 m～0.5 m，鉆孔開孔位置在3#煤層頂板巖層內。

圖4 N1102工作面探頂板水鉆孔布置示意

4.2.1.2 鉆孔施工

施工順序先孔口裝置的施工再鉆孔施工。

（1）孔口裝置的施工

根據探水鉆孔的特點，安裝好封孔管、泄水測壓三通、孔口控制閥門和逆止閥鉆桿等孔口裝置，開孔段孔徑為153 mm，深度初步確定為15 m，鋼制封孔管直徑為127 mm。具體步驟：①開孔前，檢查鉆機上瓦斯探頭安裝情況和調整好鉆桿初始角度；②開孔施工過程中，按照設計方位，開孔點選在鉆場內巖層部位，用D153 mm開孔鉆頭旋轉鉆進到初步設定深度；用水或高壓風將鉆孔清理干凈，用速凝水泥將封孔管的尾部封住，利用膠帶將排氣管和注漿管分別固定在封孔管上，將封孔管插入鉆孔，鉆桿推進封孔管內，確保把封孔管密封在鉆孔的中央，與中心線保持一致，最后用速凝水泥將孔口的封孔管進行密封，在孔口管固孔牢固后將孔口三通連接好并安裝好孔口閥門后方可下鉆。

（2）鉆孔施工

①施工工藝：在鉆場內以集束型呈60°向前上方鉆進布置鉆孔，孔徑96 mm，鉆進到離頂板約28 m，再施工順層鉆孔，順層鉆孔平行布置，間距為5 m～10 m。

②工藝步驟：當孔鉆完之后，利用水泵或壓縮空氣機將水輸入孔內，將鉆粉或鉆屑攜出孔，確保孔內干凈、無底邊巖屑孔壁穩定；鉆具向上鉆至設計孔高度位置附近，利用隨鉆測量鉆孔軌跡數據分析出最佳開拐點，調整工具面至最佳面向角，采用控時鉆進方法鉆出順層孔；以類似步驟完成其他鉆孔。

③鉆孔軌跡控制

由于地層傾角有時變化過大，局部地層因斷層等地質構造而破碎，鉆孔難度加大，導致鉆孔軌跡難以精確控制。為了實現鉆孔軌跡有效控制，采取以下措施：（1）識別地層變化。根據礦井采掘工程平面圖，分析出鉆孔軌跡處地層傾角變化，結合實鉆軌跡上下偏差、鉆進前后返渣巖性變化，判斷出當前鉆頭所處層位；（2）調整工具面使鉆孔近水平鉆進。根據地層變化，及時調整工具面來控制方位角變化，使鉆孔軌跡在水平面投影上沿設計軌跡左右波動，使鉆孔盡量在指定巖層中鉆進。

4.2.2 探放水鉆孔的改造再利用及瓦斯抽采孔施工

（1）探水鉆孔結束放水后改造延伸作為瓦斯抽采鉆孔，施工流程與探水鉆孔類似，且需要將鉆孔延伸至離回風順槽約5 m；其他瓦斯抽采孔按圖5進行布置。

（2）鉆孔成孔后通過擴孔工藝，使鉆孔終孔直徑達到153 mm。

圖5 N1102工作面探頂板水鉆孔改造再利用及他瓦斯抽采孔布置

在孔口接三通管，其中一孔連接氣水分離器，便于瓦斯和富水區余水分離，中間孔與壓力表相連，另一孔通過法蘭盤與地面瓦斯泵站連接，實現對瓦斯進行抽采的目的。

4.3 實際施工情況及效果

（1）工程量減少、降低施工成本

按照原方案施工計算，頂板放水孔鉆孔成本約900元/m,施工26個鉆孔，高抽巷（斷面3 m×2.8 m）約4 500元/m，掘井距離約1 200 m，施工所需費用約769.5萬元；按照“一孔多用”方案，頂板放水鉆孔鉆孔成本約174.8萬元，瓦斯抽采孔工程量大大減少，瓦斯抽采孔鉆孔成本為巖層孔約110元/m,煤層孔約50元/m，施工鉆孔所需費用約334.2萬元。節省施工費約260萬元。

（2）效率高

定向鉆孔與常規鉆孔探放水效果相比，定向鉆孔平均出水量是臨近工作面常規鉆孔平均出水量的2倍，本工作面放水量近35 000 m3，節省近一半時間；定向鉆孔單孔瓦斯抽采量是常規回轉鉆進裝備的3倍～5倍，相鄰工作面高抽巷瓦斯抽采量為7 m3/min,常規回轉鉆進施工鉆孔單孔瓦斯抽采量為0.02 m3/min,本工作面定向鉆孔單孔瓦斯抽采量為0.06 m3/min～0.1 m3/min，工作面瓦斯抽采量約5.7 m3/min～9.5 m3/min。

（3）鉆孔利用率高

該方案有效地將之前探放水鉆孔改造再利用作為瓦斯抽采孔，提高了鉆孔的利用率，從而降低生產成本。

5 結語

通過對煤礦頂板定向探放水鉆孔“一孔多用”方案進行探討及施工方法介紹，并對施工效果分析認為，此項技術無論從工程量、抽放效率、還是從成本控制方面都具有一定的可行性和推廣利用價值，將成為企業降本增效的一項新舉措。