定向鉆孔消突技術應用與效果檢驗

孫笑寒

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺054000）

1 概 況

冀中能源股份有限公司東龐礦東龐井位于河北省內丘縣西南約10 km，礦井于1983年12月26日建成投產，井田南北長約8 km，東西寬約5 km，面積40.88 km2。井田西南以各小煤礦、局部以9號煤層露頭和F40斷層為界，西北及東北分別止于F2及F18斷層，東以F22、F19、F34斷層為界；東南止于F12斷層。礦井核定生產能力3.6 Mt/a，主采2號煤層，該煤層屬自燃煤層，有煤塵爆炸性；經鑒定2號煤層具有煤與瓦斯突出危險性。

21218工作面位于十二采區，地面位置位于西永安村西南，工作面東北到北f331（DF12）斷層，東南到21220工作面采空區，西南到12采區回風巷。21218工作面切眼距離北f311斷層30 m，煤層賦存標高為-518—-530 m。21218工作面切眼消突塊段包括外切眼、補軌道巷、切眼、皮帶巷（里段）。2號煤層平均厚度4.35 m。

根據《冀中能源股份有限公司東龐礦2號煤層突出危險性區域劃分研究報告》，東龐礦的2號煤層第Ⅰ-Ⅳ瓦斯地質單元判定為無突出危險區，第Ⅴ瓦斯地質單元標高-510 m以淺判定為無突出危險區，第Ⅴ瓦斯地質單元標高-510 m及以深判定為突出危險區。21218工作面切眼塊段位于瓦斯地質單元Ⅴ，標高為-510—-540 m，因此，21218切眼塊段位于突出危險區內。

2 定向鉆孔消突措施

東龐礦于2020年購置了ZDY4000LD（C）煤礦井下用履帶式全液壓定向鉆機，該鉆機是一種低轉速大轉矩、適于中深孔鉆進的履帶自行式定向鉆機。該鉆機具有技術性能先進、工藝適應性強、安全、可靠、移動搬遷方便等優點，主要適用于煤礦井下大直徑中深瓦斯抽采孔及其它工程孔的施工。根據《防治煤與瓦斯突出細則》之規定及東龐礦對新設備、新技術、新工藝推廣與應用的需要，結合現場瓦斯地質賦存情況和工作面布置，21218切眼塊段范圍，包括外切眼、補軌道巷、切眼、皮帶巷（里段）及其合圍的21218工作面回采區域，采取定向鉆機施工的“順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯”的區域防突措施。

2.1 定向鉆孔設計

在21218軌道巷A18點前37.38 m以里至巷道迎頭巷幫施工順層抽采鉆孔。鉆孔控制范圍：傾向上自21218工作面軌道巷到補軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側30 m起，到切眼右側30 m范圍內的煤體。抽采鉆孔孔徑113 mm，終孔間距≤4.5 m。設計鉆孔51個，孔深13～157 m，鉆孔量6 196 m，抽采時間不少于30 d，孔口負壓≥13 kPa。鉆孔采用定向鉆機施工。具體參數見表1。

表1 21218外切眼、補充軌道巷區域預抽鉆孔施工參數Table 1 Construction parameters of 21218 outer hole cutting and pre-pumping hole in supplementary track roadway area

2.2 定向鉆孔施工

設計鉆孔均采用ZDY4000LD（C）定向鉆機施工，該鉆機在鉆孔施工過程中能夠利用先進技術，通過鉆機配套的無磁鉆桿、探管在計算機顯示器上顯示鉆孔參數、設計軌跡、實鉆軌跡等信息，通過對比分析實鉆軌跡和設計軌跡差別，調整螺桿馬達彎頭朝向，從而使得鉆孔軌跡按設計軌跡施工實現定向鉆進，確保了鉆孔間距滿足要求，并且布置均勻。

鉆機固定好后調整鉆桿方位角、傾角，開孔使用φ113 mmPDC復合片鉆頭回轉鉆進5 m，換φ154 mmPDC擴孔鉆頭擴孔2 m，提鉆后下入防噴裝置，連接好除塵設施，再使用φ113 mmPDC復合片鉆頭定向鉆進至設計孔深，拔桿后去掉防噴裝置，下入φ50 mm×1 800 mm抽放管及配套封孔囊袋，要求最前面3 m抽放管為花管，封孔囊袋固定在15 m和6 m位置（有特殊情況以設計為準），再下入篩管，篩管盡量下至鉆孔最深處，最后使用膨脹水泥進行固管。接好抽放管進行后續接抽作業。

3 瓦斯抽采及消突效果

21218工作面位于12采區，根據預抽鉆孔抽采前取煤樣實測，21218工作面范圍內最大原始煤層瓦斯含量為5.471 1 m3/t，預計21218工作面外切眼、補軌道巷（預抽后）掘進期間絕對瓦斯涌出量為2.5 mm3/min（風排量）。

2020年7月24日至2020年12月10日，在21218軌道巷A18點前37.38 m以里至巷道迎頭巷幫，由定向鉆機施工完成了51個預抽鉆孔，已由定向鉆機全部施工完畢，鉆孔施工過程中無噴孔、頂鉆等瓦斯異常現象，并采用視頻監控手段檢查確認鉆孔深度，按要求進行了核查分析。鉆孔控制范圍：傾向上自21218工作面軌道巷到補軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側30 m起到切眼右側30 m范圍內的煤體。抽采鉆孔孔徑113 mm，終孔間距≤4.5 m。孔深13～157 m，截止到2021年1月13日，所有預抽鉆孔已抽采滿30 d，且抽采負壓不低于13 kPa。利用定向鉆機先進的技術，21218工作面切眼塊段預抽鉆孔實際終孔間距在3.4～5.4 m，預抽鉆孔抽采時間均不少于30 d，滿足2號煤層在孔徑φ113 mm、抽采30 d條件下的瓦斯抽采，有效抽采半徑為3.5 m的要求。所有鉆孔布置均勻、施工長度等參數滿足設計要求，符合《防治煤與瓦斯突出細則》有關要求。

4 防突效果檢驗

4.1 效果檢驗措施

東龐礦于2021年1月14日-2021年1月25日，利用定向鉆機定向鉆進技術按照設計于21218切眼塊段施工了5個效果檢驗鉆孔，共18個效果檢驗點。

效果檢驗點布置原則：區段寬度寬度未超過120 m，則沿工作面推進方向每間隔30 m至少布置2個檢驗測試點。

效果檢驗孔采用ZDY4000LD（C）定向鉆機結合定點取樣裝置施工，取樣程序為鉆機施工至取樣點位置后，退鉆桿，重新采用定點取樣裝置，沿鉆孔軌跡施工至取樣點位置后取煤樣，即5個效果檢驗鉆孔也實時進行了軌跡測定。利用定點取樣裝置現場按要求取樣，并進行了殘余瓦斯含量（或瓦斯壓力）等瓦斯基本參數的測定。

檢驗鉆孔布置在措施孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置。施工過程中無噴孔、頂鉆等瓦斯異常現象，采用視頻監控手段檢查確認鉆孔深度，按要求進行核查分析。安排專人現場取樣，進行殘余瓦斯含量（或瓦斯壓力）、可解吸瓦斯含量等瓦斯基本參數的測定，實測結果見表2。

表2 區域措施效果檢驗指標實測值Table 2 Measured values of regional measures effect inspection indexes

4.2 效果檢驗結論

東龐礦東龐井2號煤層區域突出危險性預測指標相對瓦斯壓力臨界值為0.60 MPa，瓦斯含量臨界值為6 m3/t，以上所得相對瓦斯壓力、瓦斯含量臨界值可作為區域預測與區域防突措施效果檢驗指標的臨界值。

18個效果檢驗點井下實測的煤體殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，根據殘余瓦斯含量反算的殘余瓦斯壓力均小于0.6 MPa，且區域防突措施效果檢驗鉆孔施工過程中，未出現頂鉆、卡鉆、鉆孔噴瓦斯等煤與瓦斯突出預兆。判定區域預抽防突措施有效，鉆孔覆蓋傾向上自21218工作面軌道巷到補軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側30 m起到切眼右側30 m范圍內的煤體為無突出危險區。

防突效果檢驗合格后，東龐礦對21218軌道巷切眼塊段進行掘進作業，期間未發生煤壁開掉渣、片幫、響煤炮等突出征兆。

5 結 論

（1）定向鉆機擁有先進的技術優勢，對比傳統鉆機，最顯著的特點為定向鉆機可以實現鉆孔軌跡的人工控制，可以保證鉆孔終孔位置符合設計要求，從而實現抽采期間沒有空白帶存在，符合《防治煤與瓦斯突出細則》相關規定，達到有效消突的目的。

（2）通過利用定向鉆機對有瓦斯突出危險區域的煤層實施消突，可以為工作面安全掘進提供可靠的保障，此方法為煤與瓦斯突出礦井的消突，特別是取消巖石底板瓦斯抽放巷道提供了有說服力的依據。