余吾煤業掘進工作面千米鉆機抽采鉆孔優化布置

劉彥鵬

（山西潞安集團余吾煤業， 山西 長治 046100）

引言

余吾煤業回采3號煤層，該煤層埋深約為500m，測定瓦斯含量為8.4～8.63 m3/t，屬于高瓦斯礦井。為了在掘進和回采前通過鉆孔預抽解決煤層瓦斯突出和超限問題，2012年該礦從國外進口VLD-1000型千米鉆機，但實際工程應用沒有達到預期效果。實驗測定3號煤層的堅固性系數為0.44～0.53，透氣性系數為0.524～1.742 m2/（MPa2·d），被劃分為松軟低透氣煤層。在煤層巷道掘進前，設計使用千米鉆機施工長距離本煤層鉆孔進行瓦斯預抽和卸壓，但受煤層自身賦存條件及強度等物理力學性質影響，加之鉆孔布置不合理，本煤層長距離鉆孔經常出現塌孔和卡鉆等不利情況，從而導致預抽鉆孔成孔率低，施工困難，并不能滿足采掘進度要求[1]。因此，急需針對余吾煤業的生產地質條件進行掘進工作面千米鉆機抽采鉆孔優化布置。

1 千米鉆機抽采鉆孔現狀

余吾煤業在引進千米鉆機之前并未進行過本煤層長距離抽采鉆孔施工，引進國外千米鉆機首先分別在S2206工作面回風巷道、S1206工作面進風巷道和S2107工作面回風巷道進行了試機施工。經廠家技術指導和現場實際施工，S1206工作面進風巷道內的鉆孔為630 m時無法繼續鉆進，停止施工；S2206工作面回風巷道和S2107工作面回風巷道內的鉆孔最大深度僅為100～300 m，導致鉆機無法繼續鉆進的主要故障是塌孔或抱鉆[2]。

上述三條巷道內煤體的平均堅固性系數為0.53（見表1），且差別不大。工程條件相近的臨近礦井寺河礦和大寧礦千米鉆機本煤層長距離鉆孔施工都比較成功，分析原因發現余吾煤業3號煤層的堅固性系數遠小于這兩個礦井，導致千米鉆機施工困難的主要原因是煤體硬度較小，穩定性差[3]。

表1 煤層堅固性系數及瓦斯壓力實測數據

余吾煤業千米鉆機成孔率如圖1所示，通過綜合分析可知，3號煤層千米鉆機長距離鉆孔的成孔率普遍偏低，平均孔深為300 m；高抽巷煤巖孔的成孔率為87.5%，最大孔深為459 m。3號煤層千米鉆孔因頂鉆、卡鉆、塌孔等事故而使得成孔率低，且孔內瓦斯涌出量較大；高抽巷煤巖長距離鉆孔成孔率較高，成孔容易，可以達到設計要求。但高抽巷內施工的鉆孔向下傾斜一定角度，不利于排渣、排水。

圖1 余吾煤業千米鉆機成孔率

2 煤體鉆孔塌孔機理及千米鉆機抽采鉆孔優化布置原則

2.1 煤層鉆孔塌孔原因分析

通過分析余吾煤業3號煤層的賦存地質特征、物理性質及施工技術條件可知，導致煤層鉆孔塌孔的主要原因為：

1）內在因素：3號煤層的自身力學性質差，即黏聚力和內摩擦角較小，抗軟化能力弱，受鉆頭鉆進擾動影響，孔壁煤體易破碎堵孔或卡鉆，鉆孔長度較短，成孔率低。

2）外在因素：第一，鉆孔形成后，鉆孔周圍煤體內的瓦斯解吸擴散滲流并進入鉆孔，鉆孔周圍孔隙結構擴大，煤粒之間的摩擦系數降低，煤體強度減弱[4]。第二，為降低工作場所的粉塵，在煤體內鉆孔必須采用濕鉆工藝，即鉆頭處噴水。從鉆頭噴出的水流對孔壁煤體產生一定的侵蝕和沖刷作用，進一步降低煤粒之間的摩擦系數，破壞煤體內的原有結構，降低煤體強度，從而容易發生塌孔現象。

在上述內外因素共同影響下，鉆頭附近的煤體遭受巨大的破壞作用，從原始平衡狀態進入塑性狀態，塑性區進一步擴展而演化為破碎區，從而發生塌孔事故。

2.2 千米鉆機抽采鉆孔優化布置原則

通過對余吾煤業千米鉆機應用現狀及煤層鉆孔塌孔原因分析，結合余吾煤業的煤層賦存及生產地質條件，提出掘進工作面使用千米鉆機施工長距離抽采鉆孔時應遵循以下鉆孔布置原則：

1）布置千米鉆機前，結合當前采掘活動評估煤層受擾動的狀況，選擇在未受采掘擾動的穩定煤層中布置長距離抽采鉆孔。

2）在距煤層底板適當距離的穩定巖層內布置底抽巷，在底抽巷內向上施工瓦斯預抽鉆孔，不僅可以增強鉆孔的穩定性，而且抽采鉆孔保持一定的仰角施工，有利于自然排渣和排水，減弱鉆孔內水流對孔壁煤巖體的侵蝕和沖刷作用。

3）長距離鉆孔的設計施工軌跡應盡可能平滑簡單，減弱轉角和拐彎處的集中應力影響，增強鉆孔自身結構的自穩能力。

4）為了擴大鉆孔的抽采范圍，抽采鉆孔應按照一定的傾斜角度向巷道掘進區域擴散，從而在保證抽采效果的前提下，減少鉆孔布置數量和施工量。

3 掘進工作面千米鉆機抽采鉆孔優化布置方式研究

通過分析煤層鉆孔的塌孔原因，依據所提出的定向長鉆孔優化布置原則，結合鉆孔方位和掘進巷道的空間位置關系，設計了“縱向”和“橫向”兩種掘進工作面千米鉆機抽采鉆孔優化布置方式。

3.1 縱向優化布置

如圖2所示，縱向優化布置方式是指掘進巷道與長距離鉆孔在空間位置呈垂直布置。VLD-1000型千米鉆機在鉆進過程中可以拐彎，一次鉆孔長度較長，選擇適當位置布置鉆場，分組施工長距離瓦斯抽放鉆孔，抽采待采掘臨近區域的煤層瓦斯，可以降低瓦斯壓力和消除采掘過程中可能發生的煤與瓦斯突出危險。縱向布置長距離鉆孔的覆蓋范圍廣，一次施工可預抽2～3個臨近區段工作面，抽采效率較高，有利于高產高效礦井快速推進和采掘銜接。當臨近區域布置有多個工作面，且煤層賦存穩定和傾角變化不大時，抽采鉆孔應優先選擇縱向布置方式，提高抽采效率，促進采掘快速銜接[5]。

圖2 抽采鉆孔縱向優化布置示意圖

3.2 橫向優化布置

如圖3所示，橫向優化布置是指掘進巷道與長距離抽采鉆孔在空間位置呈平行布置。與縱向布置方式相比較，橫向布置鉆場滯后掘進頭一定距離，只有當在鉆場施工鉆孔并抽采達標和消突后，方可繼續向前掘進；長距離鉆孔覆蓋范圍小，只能抽采本巷道掘進區域附近的瓦斯，還需同時配合本煤層鉆孔抽采回采工作面范圍的瓦斯，相對鉆孔工作面量大。當回采區域范圍較小，煤層賦存不穩定，傾角變化較大或存在斷層、褶曲等地質構造時，抽采鉆孔只能在掘進巷道內選擇橫向方式布置，配合施工本煤層抽采鉆孔抽采工作面回采煤體內的瓦斯。

圖3 抽采鉆孔橫向優化布置示意圖

4 結語

余吾煤業從國外引進千米鉆機施工瓦斯抽采鉆孔，雖然前期由于受煤層自身賦存條件及強度等物理力學性質的影響，加之鉆孔布置不合理，實際工程應用沒有達到預期效果。但通過分析煤層鉆孔的塌孔原因，提出了適合本礦井的定向鉆孔優化布置原則，并設計了“縱向”和“橫向”兩種掘進工作面千米鉆機抽采鉆孔優化布置方式，有效解決了煤層瓦斯突出和超限問題，體現了千米鉆機施工長距離鉆孔的優勢，對具有類似煤層條件的周圍臨近礦井具有一定的借鑒意義。