高位定向長鉆孔高效抽采技術的應用

唐強

摘 要：本文結合試驗礦井生產實際情況對礦井“三帶”進行分析，確定了高位定向長鉆孔施工層位為煤層頂板上方20～25 m，并對高位鉆孔現場布置參數進行設計。現場應用該技術后，工作面上隅角及回風流中的瓦斯濃度分別控制在0.6%、0.5%以內，為采面安全高效回采創造了良好條件。

關鍵詞：高位鉆孔;采空區;瓦斯抽采

中圖分類號：TD712.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0060-03

Application of High-Efficiency Drainage Technology for High-Position Directional Long Boreholes

TANG Qiang

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037）

Abstract： Combined with the actual production situation of the test mine， this paper analyzed the "three zones" of the mine， determined that the construction horizon of the high-level directional long drilling was 20-25 m above the coal seam roof， and designed the site layout parameters of the high-level drilling. After field application of the technology， the gas concentration in the upper corner of the working face and the return air flow is controlled within 0.6% and 0.5% respectively， which creates good conditions for safe and efficient mining.

Keywords： high drilling;goaf;gas drainage

瓦斯災害是煤礦的主要災害之一，不僅會給工作人員的生命安全造成很大的威脅，而且會帶來巨大的財產損失[1-3]。煤礦工程技術人員和科研院校的學者在瓦斯災害治理方面做了大量研究，使煤礦瓦斯災害事故率逐年下降。但是，高突礦井工作面上隅角和回風流瓦斯超限現象仍時有發生，嚴重制約著礦井的安全高效生產。而采空區瓦斯涌出是工作面上隅角和回風流瓦斯的重要來源之一。常規的采空區瓦斯治理方法主要有上隅角埋管或插管抽采、頂板高位巷抽采等[4-6]，但這些方法存在施工量大、難度高、抽采效果不穩定等問題，急需研究應用新技術及工藝解決采空區瓦斯治理難題，為礦井安全高效生產保駕護航。

1 礦井概況

試驗礦井位于云南省昭通市，礦井核定生產能力為0.6 Mt/a，經鑒定為煤與瓦斯突出礦井。礦井的可采煤層是C1、C5煤層，主采C5煤層，該煤層原始瓦斯含量最大為11.25 m3/t，原始瓦斯壓力最大為1.74 MPa。W1102綜采工作面位于礦西一采區，其走向長度為790.0 m，切眼長度為150.0 m。回采區域內煤層瓦斯賦存條件穩定，煤層水文地質條件簡單，煤層平均厚度為4.5 m，煤層傾角為6°～12°，平均傾角為10°，為緩傾斜煤層，采用MG900/2245-GWD型大功率厚煤層割煤機進行采煤。工作面基本參數見表1。

W1102綜采工作面回采的煤層瓦斯含量、壓力分別為11.25 m3/t和1.74 MPa，瓦斯是制約綜采工作面生產安全的主要因素。在綜采工作面回采前期，雖然利用本煤層瓦斯抽采鉆孔對瓦斯進行了預抽，但是綜采工作面回采期間，采空區內瓦斯仍向回采空間大量涌出。經現場測定發現，回風上隅角位置平均瓦斯濃度達到0.75%，存在瓦斯超限的風險。為了確保綜采工作面回采安全，提出使用高位定向長鉆孔對采空區頂板瓦斯進行預抽，從而減少采空區瓦斯涌出量。

2 高位定向長鉆孔施工技術及應用

瓦斯抽采是降低瓦斯涌出量、提高采面生產安全的主要技術手段，根據采面瓦斯涌出特征，采用針對性的瓦斯抽采技術可起到較為顯著的瓦斯治理效果[7-9]。本文提出采用高位定向長鉆孔對W1102工作面頂板裂隙瓦斯進行抽采，以降低采空區瓦斯涌出量。

2.1 施工技術基礎

高位定向長鉆孔抽采煤層瓦斯技術的實施是基于礦井煤層開采過程中會引起上覆巖層的變化的“三帶”理論，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶（見圖1），向裂隙帶定向施工長鉆孔抽采煤層瓦斯。在煤層開采過程中，采空區原煤層直接頂破碎下沉后，老頂上覆巖層在壓力作用下會產生大量的裂隙，這些裂隙的產生為采空區瓦斯提供了儲存空間。由于瓦斯密度相對空氣密度較小，在裂隙產生后，有一部分瓦斯隨時間推移會逐漸擴散、滲透進裂隙中。此時，利用定向鉆機的定向糾偏功能可以保證向裂隙帶施工定向長鉆孔的精準度，從而達到高效抽出采空區瓦斯的目的，實現采空區瓦斯的有效治理，降低采空區瓦斯災害的危險性，保障礦井采煤工作面安全高效回采。

2.2 鉆孔設計及施工

根據礦井煤層實際情況和生產實踐積累的經驗，選擇煤層頂板上方20～25 m為定向長鉆孔施工層位，鉆孔終孔位置與W回風順槽水平間距為20～40 m。在采空區巖層裂隙帶（煤層頂板上方20～25 m范圍內）設計施工3個高位定向長鉆孔作為瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設計施工深度均為400 m，鉆孔具體參數見表2，鉆孔位置見圖2。

利用礦井自購的ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓鉆機施工高位定向長鉆孔。受煤層上覆巖層變化及鉆機操作工熟練程度等不確定因素的影響，實際施工深度與完成深度存在一定偏差，但偏差在合理的范圍內：1號孔設計深度400 m，實際施工完成深度為350 m;2號孔設計深度400 m，實際施工完成深度為450 m;3號孔設計深度400 m，實際施工完成深度為420 m，鉆孔總進尺為1 220 m，達到預期施工設計要求。3個高位定向長鉆孔初始利用直徑為89 mm的鉆頭進行施工至成孔，成孔后更換為直徑133 mm鉆頭進行擴孔至終孔位置，待鉆孔最終施工完畢后，采用“兩堵一注”封孔工藝對鉆孔進行封孔。1—3號高位定向長鉆孔封孔長度均為20 m，封孔完成8 h后即可接入礦井高負壓抽采管路，抽采負壓確定為13 kPa。

2.3 效果分析

封孔完畢后接入礦井高負壓抽采管路進行抽采，并安排專人每天對3個高位定向長鉆孔的瓦斯抽采參數進行記錄，搜集整理3個高位定向長鉆孔連抽60 d的瓦斯抽采數據，對測定結果進行統計分析，結果見圖3、圖4。

從圖3可知，3個高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度為18%～45%。其中，1號孔瓦斯抽采濃度波動較大，瓦斯抽采濃度整體偏低。經過分析得知，該鉆孔距離工作面回風巷道較近，受巷道掘進過程中采動的影響，巷道周邊圍巖產生大量裂隙，該區域部分瓦斯通過裂隙進入回風流，隨風排出，從而導致鉆孔內瓦斯濃度出現一定程度降低和波動現象。

從圖4可知，1號孔平均日抽采純量為3 116.25 m3，累計抽采純量為37 395 m3;2號孔平均日抽采純量為2 547.5 m3，累計抽采純量為30 570 m3;3號孔平均日抽采純量為3 646.67 m3，累計抽采純量為43 760 m3。3個高位定向長鉆孔經過一段時間的抽采后，瓦斯抽采純量呈現快速提升的趨勢，持續增加約20 d后，逐漸趨于平穩態勢。經過分析可知，隨著抽采時間的增加，工作面回采距離也在增加，由于采煤過程中不可避免地會遺留一部分頂煤或底煤，導致采空區瓦斯大量增加，進而導致3個高位定向長鉆孔單日瓦斯抽采純量出現急劇增長的趨勢，最終達到峰值，逐步趨于平穩。同時，在工作面回采過程中，通過分析礦井在線監控數據發現，工作面上隅角瓦斯濃度最大為0.6%，巷道回風流中的瓦斯濃度最大為0.5%，均未超過《煤礦安全規程》規定的要求，工作面回采速度得到了較大提升，為礦井安全生產創造了良好條件。

3 結論

采用ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓鉆機施工高位定向長鉆孔，對W1102工作面回采期間采空區瓦斯涌出進行治理，取得主要結論為以下幾點。

①選擇煤層頂板上方20～25 m為高位定向長鉆孔施工層位，符合礦井生產實際情況，能有效抽采工作面采空區瓦斯。

②通過利用高效定向長鉆孔抽采采空區瓦斯，工作面回采速度得到提升，采空區未出現異常情況。

③通過對高效定向長鉆孔的瓦斯抽采效果進行分析，并結合回采過程中上隅角和回風流中的瓦斯濃度，認為高效定向長鉆孔能夠有效解決上隅角和回風流瓦斯濃度超限的問題，為礦井安全高效生產提供了技術保障。

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