定向長鉆孔條帶預抽技術在松軟突出煤層應用

李臣武

（貴州職業技術學院建筑工程學院，貴州 貴陽 550023）

貴州的煤炭資源豐富，煤種齊全，煤炭資源分布相對集中區域位于西部的盤縣、水城、六枝和織金、納雍、大方等縣［1］。貴州屬于山區，地質構造復雜，煤層瓦斯含量普遍偏高，隨著煤層開采深度的日益增加，煤與瓦斯突出成為威脅煤礦安全生產的主要礦井災害［2］，隨著礦井開采深度增加和開采規模增大，防突工作顯得越來越重要。《防治煤與瓦斯突出細則》第六條規定：防突工作必須堅持“區域綜合防突措施先行、局部綜合防突措施補充”的原則［3］。煤礦開展采掘活動前，區域防突工作成為非常重要的關鍵環節，隨著貴州省煤炭行業安全管控升級提高，開采保護層、頂底板巖石巷道+ 穿層鉆孔條帶預抽已成為采掘工作面區域防突措施的主要形式［4］。近距離煤層群首采層的保護層一般情況較難確定，往往采用抽采巷穿層鉆孔預抽措施或者定向鉆孔預抽措施。煤礦瓦斯治理經驗表明底抽巷區域預抽是近距離煤層群治理瓦斯的有效方法［5］，但施工抽采巷及穿層鉆孔存在施工成本高、工程量大、瓦斯治理費用高等缺陷，所以煤礦企業對瓦斯治理成本既低又能達到同樣效果的新技術需求強烈［6］。定向長鉆孔條帶預抽技術近幾年在貴州煤礦逐步開始應用，個別煤礦已取得成功。但影響定向條帶預抽瓦斯效果和可行性的因素較多，主要有成孔性及其均勻性、煤體透氣性、瓦斯壓力大小和區域地質特征等。在部分煤礦因鉆孔層位選擇不當或煤層較軟，鉆孔容易塌孔、堵孔，抽采效果不佳，導致定向長鉆孔條帶預抽技術在煤礦中沒有得到全面推廣。金佳煤礦在松軟煤層22#煤層中首次應用定向長鉆孔，積極進行施工技術應用研究，使該技術的應用取得成功并達到良好效果。

1 工程概況

金佳煤礦佳一采區132204 采煤工作面位于佳一采區井筒北翼22#煤層第二個工作面，距地表埋深為302～494 m，132204 運輸巷設計工程量1 064 m，開口位置從+1 721 m水平聯絡巷開口，以+10°坡度掘進35.7 m揭露22#煤層，沿22#煤層掘進到132204 切眼下口位置。22#煤層厚度1.2～2.1 m，平均2.0 m，煤層傾角24°。2008年12月中國礦業大學礦山開采與安全教育部重點實驗室對金佳礦22#煤層進行鑒定并提交了《煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》，實測22#煤層原始瓦斯壓力1.63 MPa，鑒定22#煤層具有突出危險，需按突出煤層進行管理。中煤科工集團重慶研究有限公司于2019年3月測定佳一采區22#煤層堅固性系數f值為0.66，煤層硬度偏軟，屬軟煤；同時在+1 721 m水平聯絡巷（測點標高1 745.7 m、距地面埋深474 m） 實測22#煤層原始瓦斯含量為11.476 m3/t。132204 采煤工作面沒有大斷層及其它構造，周圍的煤層沒有經過開采，無老空區，132204 運輸巷處于原始應力區。22#煤層頂底板巖性見表1。

表1 22#煤層頂底板巖性

2 定向長鉆孔施工及效果分析

2.1 鉆孔設計

132204 運輸巷定向鉆孔施工地點選擇在佳一采區+1 721 m聯絡巷岔口鉆場，設計施工5 個定向主鉆孔，鉆孔控制巷道兩側輪廓線外至少15 m。為了減少塌孔和堵孔現象，鉆孔的平孔部分選擇布置在22#煤層底板老底層位的細砂巖中，細砂巖巖性較硬，巖體均質，利于鉆孔的平穩鉆進，每個鉆孔采用開分支鉆孔的方式進入煤層，在煤層中鉆進長度保證在20 m以上。由于1 號鉆孔是作為試驗孔施工，鉆孔實際長度351 m，達不到鉆孔設計深度，在后期施工過程中，采用5 號鉆孔的分支孔補充1 號鉆孔的盲區，設計鉆孔總工程量為5 400 m。

2.2 鉆孔施工

132204 運輸巷定向鉆孔采用ZYWL-6000DS型鉆機施工，先用Φ73 mm定向鉆桿和專用Φ96 mm鉆頭開孔，至10 m處停止鉆進，隨后依次采用Φ133 mm、Φ153 mm、Φ173 mm擴孔鉆頭擴孔至24 m，擴孔到位后反復進行洗孔，保證孔內清潔無煤渣后再退鉆桿。鉆孔施工過程中必須隨時注意水壓、水量和孔口反渣情況，正常情況下水流量為200 L/min左右，巖石鉆孔水壓為4～6 MPa，煤層鉆孔水壓為3～5 MPa；遇到軟煤時由于瓦斯壓力大、煤層松軟、煤巖性變化等情況，施鉆負責人應引起高度重視，采用勻速運轉、緩慢推進等措施，讓瓦斯、水、鉆渣均勻排出，提高鉆孔的成孔率。施鉆時鉆孔每往前前進3 m進行一次測量，將鉆孔的實際左右偏差和上下偏差與設計軌跡進行對比，根據偏移情況決定彎頭方向的調整。鉆孔施工完畢退桿前必須進行沖孔，沖孔時間不低于30 min且孔內煤渣沖干凈。定向鉆孔竣工平面位置見圖1，鉆孔施工實際參數見表2。

表2 22#煤層定向鉆孔實際施工參數

鉆孔封孔前提前準備好封孔材料和設備。水泥漿速凝劑、水泥、水的配合比為0.2∶1∶1，水泥漿攪拌結束后按照封孔泵操作規程進行注漿封孔，當排氣管往外滲漿時，說明孔內已經注滿，此時應用鐵絲將排氣管扎住并繼續注漿使水泥漿滲入煤壁，當煤壁往外滲水冒氣泡時，就停止注漿。

2.3 抽采及計量

封孔完成后，所有鉆孔必須實行單孔單連，且每個鉆孔需單獨安設一趟瓦斯抽采計量裝置，便于數據監測及抽采單元的評價，抽采期間每天對所有鉆孔抽采量進行統計，每個單孔有效預抽時間不得小于60 d。132204 運輸巷條帶瓦斯預抽期間采用一臺2BEC67 型高負壓瓦斯抽采泵進行獨立抽采。瓦斯抽采泵配備電機功率315 kW，額定流量200 m3/min，同時備用1 臺同型號的瓦斯抽采泵。

2.4 區域措施消突效果分析

（1）評價單元劃分

根據132204 運輸巷掘進工作面掘進區域定向鉆孔施工情況，將定向鉆孔有效控制掘進區域作為一個評價單元，即評價范圍為：132204 運輸巷掘進工作面巷道輪廓線左幫15.1 m，右幫16.9 m，鉆孔有效控制掘進前方385 m范圍作為一個評價單元。

（2）評價指標計算與測定

①瓦斯抽采達標評判指標

結合132204 運輸巷掘進工作面現有地質資料和前探鉆孔資料分析，132204 運輸巷掘進工作面掘進前方22#煤層平均厚度為2.0 m，原始瓦斯含量為11.476 m3/t，煤的容重為1.5 t/m3，根據鉆孔成果圖可得控制煤層掘進區域范圍煤量為：G22=67 910.4 t，瓦斯賦存量為：

W22G22=11.476×67 910.4=779 339.7 m3。

根據控制范圍計算瓦斯賦存量為779 339.7 m3，計量裝置累計抽采量為780 903.6 m3，大于控制范圍內瓦斯賦存量，分析累計抽采量大于瓦斯賦存量原因有兩個方面：一是定向鉆孔施工期間采用壓力為4～6 MPa高壓水作為介質施工，鉆頭處高壓水切割煤層導致煤層透氣性增大，控制范圍外圍巖瓦斯涌入，22#煤層定向鉆孔直徑為105 mm，礦井實測抽采半徑一般為10 m左右，定向鉆孔控制132204 運輸巷巷道輪廓線邊緣傾向范圍分別擴大5 m，即為52.4 m；二是22#煤層與上鄰近層21#煤層層間距為19 m，與下鄰近層24#煤層間距為11.4 m，見圖2。鄰近層瓦斯涌入導致管道計量裝置數據大于控制范圍內瓦斯賦存量。

圖2 132204 運輸巷剖面

佳一采區所有煤層均為緩傾斜煤層，21#、22#、24#煤層瓦斯排放率按 《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ 1018-2006）附錄D中曲線2 進行取值，24#煤層瓦斯涌入率約49%，21#煤層瓦斯涌入率約33%。因21#、24#煤層為不可采煤層，其瓦斯參數參照22#煤層原始瓦斯含量11.476 m3/t進行取值，21#、24#煤層控制范圍與22#煤層一致，21#煤層煤炭儲量為44 141.7 t，瓦斯儲量為506 570.8 m3，24#煤層煤炭儲量為40 746.2 t，瓦斯儲量為467 603.3 m3，21#煤層涌入22#煤層瓦斯量為506 570.8×33%=167 168.3 m3，24#煤層涌入22#煤層瓦斯量為467 603.3×49%=229 125.6 m3。

因此，評判單元鉆孔抽采瓦斯總量為：

評判單元計算殘余瓦斯含量為：

經計算評判單元預抽率為49.35%。

②區域措施效果檢驗

區域措施效果檢驗范圍按照煤巷條帶每隔20～30 m 至少布置1 個檢驗測試點，檢驗測試點設計在132202 運輸巷內，檢驗測試鉆孔參數及測定結果見表3。

表3 132204 運輸巷22＃煤層區域措施效果

通過在132202 運輸巷施工檢驗測試鉆孔對132204 運輸巷定向長鉆孔預抽區域進行檢驗，經測定評價范圍內22#煤層抽采后殘余瓦斯含量最大值為6.221 4 m3/t，殘余瓦斯壓力最大值為0.429 MPa，小于8 m3/t及0.74 MPa的臨界值，符合《防治煤與瓦斯突出實施細則》有關規定。

（3）抽采效果達標評判

132204 運輸巷評價單元內，預抽煤層瓦斯儲量779 339.7 m3，抽采量為384 609.7 m3，抽采率為49.35%，符合《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的相關要求。經實測得22#煤層殘余瓦斯含量最大為6.221 4 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.429 MPa，殘余瓦斯壓力和瓦斯含量均符合 《防治煤與瓦斯突出細則》有關要求，且抽采效果可靠、有效，因此判定132204 運輸巷評價范圍內抽采效果達標。

3 結語

132204 運輸巷評價單元內，預抽煤層瓦斯儲量779 339.7 m3，抽采量為384 609.7 m3，抽采率為49.35%；經實測得22#煤層殘余瓦斯含量最大為6.221 4 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.429 MPa，殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力均小于 《防治煤與瓦斯突出細則》規定臨界值，且區域措施效果檢驗和區域驗證過程中均未出現噴孔、頂鉆等異常現象，抽采效果達標，抽采措施有效。132204 運輸巷掘進施工期間瓦斯未出現異常現象，直到巷道施工結束均未出現瓦斯超限情況。實踐證明，金佳煤礦22#煤層實施定向長鉆孔預抽技術是可行的。