復雜頂板巖層高位定向長鉆孔抽采瓦斯技術研究

王 佳

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

采空區瓦斯作為礦井瓦斯的主要來源之一，一直是煤礦瓦斯治理的重點和難點[1]。長期以來，我國煤礦治理采空區瓦斯常用的方法主要有地面鉆孔法、尾巷法、埋管法、頂板高抽巷法、普通高位鉆孔法等，雖然取得了不錯的治理效果，但普遍存在投資成本較高、維護費用大、抽采時間相對較短、管理困難等缺陷[2]。

工作面推進后，后方的上覆巖層垂向上垮落形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。隨著時間的延長，上覆巖層運動逐漸穩定，中部的裂隙會趨于壓實而消失，而采空區四周邊緣由于受到煤柱的支撐作用，會形成一個存在大量裂隙、連續的瓦斯運移通道，即“O”形圈[3]。“O”形圈能夠長期存在，其內部裂隙中賦存大量瓦斯，該理論對抽采臨近層瓦斯治理提供了指導。基于高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術的原理：采用定向鉆進技術，將鉆孔施工至裂隙帶，導通“O”形圈裂隙，從而保證工作面回采過程中，高位定向長鉆孔始終處于裂隙帶范圍內，利用抽采負壓引流采空區瓦斯，進而達到降低工作面、上隅角和回風巷瓦斯濃度的目的[4]。眾多學者對高位定向鉆孔做了大量研究：閆保永[5]通過對高位定向鉆孔與普通穿層鉆孔抽采效果的比較，得出“高位定向鉆孔抽采效果更顯著，有效孔段和抽采時間相對更長、抽采濃度更高”的結論；胡良平[6]分析了高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果主控因素及影響規律，提出了適用高位定向長鉆孔的條件；洪建俊[7]等在桃園礦復雜巖層中成功實現最大孔深為 956 m 的高位定向鉆孔，并取得了良好的瓦斯抽采效果，為高位定向長鉆孔技術的應用積累了寶貴經驗。

1 工作面概況

大淑村礦172107工作面回采2號煤層，走向長677 m，傾斜長205 m，煤厚約5.4 m，煤層傾角平均23°，工作面呈東西向，橫跨于寬緩背斜(77′孔背斜)的傾伏端。背斜軸位于工作面中部，軸向NE5°，背斜西翼煤巖層走向NE40°-60°，傾向NW，傾角11°～32°，東翼煤巖層走向SE60°-100°，傾向NE為主,傾角14°～26°。

工作面回采2號煤層，頂板巖層復雜，影響鉆孔施工：頂板巖層中賦存有煤線，煤質比較松軟，以往施工過程中，受鉆具振動和沖洗液的共同影響，煤線容易垮落形成破碎帶，給施工帶來困難；且頂板巖層多為粉砂巖、細砂巖交互地層，鉆孔施工中粉砂巖近似于泥巖，存在縮徑或者塌孔的風險，粉砂巖中還含有菱鐵礦結核，造成鉆頭磨損；在斷層等構造帶處，巖層受到擠壓，巖石破碎，施工鉆孔穿過斷層時，易出現塌孔；地層沿推進方向為一背斜構造, 剖面上鉆孔為“∩”型，導致鉆孔部分孔段在目標層位中延伸時整體呈負角度走勢,影響鉆孔鉆屑的及時排出，不利于施工。

2 工程應用

2.1 高位定向長鉆孔參數設計

鉆場布置在172107回風巷210號點處，鉆孔開孔時距工作面推采位置520 m。本次試驗設計施工4個高位定向長鉆孔，距回風巷分別為10 m、20 m、30 m和40 m。根據經驗公式計算得，垂向上鉆孔布置層位為煤層頂板上方12～46 m處，內距回風巷的水平距離8.7～68.3 m。

2.2 鉆進設備

工程采用回轉鉆進方法開孔、擴孔與定向鉆進方法施工鉆孔相結合的鉆進方法，所用的定向鉆機為ZDY12000LD，該鉆機內的基本設備有控制室、防爆型計算機、泵車等，能夠使鉆孔在較硬巖層內進行定向鉆進施工。在開孔段使用D89 mm螺旋鉆桿串+D120 mmPDC鉆頭組合，在擴孔段使用D89 mm螺旋鉆桿+D153 mmPDC鉆頭組合，下套管時使用D146 mm孔口管，下至穿過煤層。鉆頭采用D120 mm平底定向鉆頭，該類鉆頭硬度大且不易磨損，碾碎巖塊效果好，鉆進施工中，經常與螺桿鉆具結合，同時在穿煤層后的孔段擴孔和主孔段施工完成以后使用擴孔鉆頭。

在施工定向長鉆孔時，為保證實際軌跡按照預設軌跡進行施工，以6 m為測量步距監測打孔參數，發現軌跡偏離，立即糾偏。

2.3 高位定向長鉆孔工程應用

采用精確的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料注漿加固破碎帶、下套管技術等措施，克服了復雜巖層對施工的影響，共施工4個高位定向長鉆孔。

1號鉆孔：開孔傾角10°，開孔方位85.2°，垂高距2號煤層頂板18 m，距離巷幫10 m，孔口段下套管護孔。鉆進至60 m處出現塌孔，根據巷道平面圖顯示，此處存在斷層，選擇采用專用封孔材料注漿穿過斷層破碎帶。在308～318 m處，鉆孔進入粉砂巖段，出現塌孔，無法通過，采用排渣能力強的外螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統，成功穿過粉砂巖段。鉆進至378 m處，砂巖層恢復初始產狀，鉆孔高度距頂板約16.7 m，后保持在距頂板約17 m高度施工，鉆孔穩定在砂巖中，終孔深度538 m，進入采空區。

2號鉆孔：距離巷幫20 m，采用大角度開孔穿越1號煤線，鉆進至354 m，地層產狀發生變化，鉆孔進入粉砂巖段，出現塌孔。

3號鉆孔：距離巷幫30 m，無法通過，采用螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統成功穿過，終孔深度513 m，進入采空區，設計高度在煤層上方30 m。

4號鉆孔：終孔深度473 m，進入采空區，該孔施工距離2號煤層頂板約35 m，平面距巷幫40 m。

2.4 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工結束后，及時進行接抽并實時監測，連續記錄高位定向長鉆孔和之前普通高位鉆孔的瓦斯抽采數據，并繪制鉆孔抽采瓦斯濃度與瓦斯純量對比圖(圖1和圖2)。

圖1 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯濃度對比

圖2 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對比

從圖1和圖2可以看出，172107工作面在回采初期高位定向長鉆孔瓦斯濃度和瓦斯純量比普通高位鉆孔增加得慢，但是隨著工作面的不斷推進，高位定向長鉆孔導入裂隙帶的孔段增加，與采空區導通更加豐富，瓦斯抽采純量與抽采濃度不斷增加，并進入穩定抽采期；而隨著工作面推進，普通高位鉆孔有效抽采孔段逐漸縮短，瓦斯抽采純量和抽采濃度均迅速進入低位，并持續在低位徘徊。在采用高位定向長鉆孔技術治理瓦斯之前，工作面推進至普通高位鉆孔交替段時，工作面瓦斯濃度經常出現波動，瓦斯濃度明顯增大，現利用高位定向長鉆孔有效避免了鉆孔交替布置時出現的瓦斯濃度增大現象，保證了工作面安全回采。

3 結 語

1) 針對復雜巖層破碎帶、構造、地層負傾角等問題，采用精準的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料等技術，成功施工了高位定向長鉆孔，形成了復雜巖層高位定向長鉆孔施工工藝。

2) 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔相比，抽采覆蓋范圍更廣，抽采時間更長，無瓦斯波動增大現象，可以替代普通高位鉆孔治理采空區瓦斯。