煤與瓦斯突出煤層定向復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)研究

陶云奇，路廣奇，周正濤

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限責(zé)任公司十一礦，河南 平頂山 467000；3.鄭州慧礦智能科技有限公司，河南 鄭州 451484)

目前我國(guó)煤與瓦斯突出礦井主要采用專用巖石巷加穿層鉆孔的方法進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采，但這種治理方式具有成本高、施工周期長(zhǎng)、鉆孔衰減快等缺陷[1-4]，可能造成采掘接替緊張。此外，常規(guī)鉆孔的鉆進(jìn)無(wú)法精確定位，鉆進(jìn)過(guò)程中極易誤穿煤層頂?shù)装澹嬖谕咚钩椴煽瞻讌^(qū)[5-7]。隨著對(duì)抽采鉆孔孔深、鉆孔軌跡精確定位要求的不斷增加，定向鉆進(jìn)技術(shù)在區(qū)域瓦斯治理中的優(yōu)勢(shì)日益凸顯[8]。李泉新等[9]采用國(guó)產(chǎn)大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，在保德煤礦施工了主孔深度2311m的順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔；石智軍等[10]通過(guò)工藝技術(shù)創(chuàng)新和配套機(jī)具優(yōu)化，在保德煤礦施工3000m以上順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔，實(shí)現(xiàn)了與井下巷道3353m超長(zhǎng)距離精確貫通；張杰等[11]采用煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)，在預(yù)掘巷道空間范圍內(nèi)施工大直徑超前對(duì)穿鉆孔，可有效降粉塵、除瓦斯；李泉新[12]提出在碎軟煤層中采用復(fù)合定向與排渣技術(shù)，并在晉城寺河礦和成莊礦的碎軟煤層區(qū)域中完成了定向鉆孔施工，成功覆蓋了工作面、待掘巷道設(shè)計(jì)區(qū)域。

首山一礦己15-17-12110工作面具有高地應(yīng)力(埋深900m左右)、高瓦斯(瓦斯壓力最大2.0MPa、瓦斯含量最大18.8m3/t)、煤層松軟(f=0.2～0.3)等特點(diǎn)，如何進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理將直接影響采掘接替能否順利。綜合考慮瓦斯治理措施實(shí)施期間的安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素，首山一礦以己15-17-12110中抽巷為試驗(yàn)對(duì)象，以輕型定向鉆機(jī)為裝備支撐，充分利用定向鉆機(jī)鉆孔軌跡可調(diào)、可控的優(yōu)點(diǎn)，采用“定向鉆進(jìn)+回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”相結(jié)合的復(fù)合鉆進(jìn)工藝，對(duì)工作面中部常規(guī)穿層鉆孔控制不到的空白區(qū)域采取定向鉆孔區(qū)域瓦斯治理措施，以此實(shí)現(xiàn)治理區(qū)煤層瓦斯精準(zhǔn)治理和消突，并為今后首山一礦定向鉆孔區(qū)域瓦斯治理模式建立提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)工作面概況

首山一礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.4Mt/a，煤層瓦斯含量高、透氣性較差，為煤與瓦斯突出礦井。己15-17-12110工作面位于己二采區(qū)下延?xùn)|翼上部第一個(gè)區(qū)段，采面可采走向長(zhǎng)1550m，傾斜寬260m，己15-17煤層底板標(biāo)高為-728.5～-771.6m。煤層結(jié)構(gòu)單一，煤層厚度平均5.5m，較為松軟、破碎。

2 定向復(fù)合鉆進(jìn)施工方案

截止2019年10月16日，己15-17-12110工作面底抽巷已全部貫通，原計(jì)劃分別在機(jī)巷抽放巷、中間抽放巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯，然后在掘進(jìn)后的三條煤巷中采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯消突、高抽巷封閉抽采采空區(qū)治理上隅角瓦斯。但該方法存在巷道工程量大、治理成本高、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，而且河南省明確禁止使用“順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯消突、高抽巷封閉抽采采空區(qū)治理上隅角瓦斯”等技術(shù)措施。而在己15-17-12110工作面已經(jīng)完成的底抽巷中施工穿層鉆孔預(yù)抽工作面區(qū)域瓦斯，該方案存在施工距離較長(zhǎng)、鉆孔軌跡不易控制、容易存在瓦斯抽采空白帶等問(wèn)題。為解決工作面消突這一難題，結(jié)合定向鉆進(jìn)技術(shù)“精確定向鉆進(jìn)”的特點(diǎn)[13-17]，利用輕型定向鉆機(jī)在己15-17-12110中抽巷向工作面突出煤層施工多分支定向鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采。

本次施工的鉆場(chǎng)位于己15-17-12110中抽巷外段，通尺15m附近，鉆場(chǎng)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，確保頂板安全。采用定向鉆孔、常規(guī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)的復(fù)合轉(zhuǎn)進(jìn)方式在己15-17-12110中抽巷外段施工鉆孔，由于定向鉆孔施工過(guò)程中使用高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，煤孔可沖出煤渣，有效實(shí)現(xiàn)了出煤卸壓消突效果，定向鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示。以此為依據(jù)確定定向復(fù)合鉆進(jìn)工藝在首山一礦高應(yīng)力高瓦斯突出煤層的應(yīng)用可行性，為下一步礦井瓦斯治理技術(shù)方案的調(diào)整和礦井安全高效可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

圖1 定向鉆孔施工設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)?98 mm的定向穿層鉆孔，鉆孔由底板巖層進(jìn)入煤層，并沿煤層鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)的主孔分別為傾向2個(gè)、走向2個(gè)，如圖2所示。其中，1#孔沿傾向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)孔深102m；2#孔沿傾向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)該孔為多分支鉆孔，2#主孔孔深60m，2-1#分支孔在18m處開(kāi)分支，終孔深度為102m；3#孔沿走向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)孔深102m；4#孔沿走向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)該孔為多分支鉆孔，4#主孔孔深84m，4-1#分支孔在24m處開(kāi)分支，終孔深度為114m，4-2#分支孔在18m處開(kāi)分支，終孔深度為144m，定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 己15-17-12110中抽巷外段定向鉆孔布置

表1 定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)裝備為ZDY-5400LD型煤礦用履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)和履帶式泥漿泵車(chē)，該套設(shè)備具有大扭矩、低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多分支深孔定向鉆進(jìn)，鉆機(jī)配備的螺旋槽通纜鉆桿和YSX-15T礦用本安型隨鉆測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔軌跡可調(diào)、可控。施工過(guò)程中均采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝，即首先采用定向裝備鉆進(jìn)至煤層后，更換常規(guī)三棱刻槽鉆桿，改用回旋式常規(guī)鉆進(jìn)方法，繼續(xù)沿煤層鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)煤層中實(shí)際施鉆情況，及時(shí)變更設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)鉆孔在煤層中可鉆進(jìn)的距離。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工及效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔工程量

現(xiàn)場(chǎng)共施工8個(gè)定向鉆孔，其中，1#孔、1-1#補(bǔ)孔、2#孔、3#孔、4#孔為主孔，2-1#分支、4-1#分支、4-2#分支為分支孔，施工鉆孔的實(shí)鉆剖面如圖3所示。由圖3可以看出：

圖3 定向鉆孔實(shí)鉆剖面圖

1)1#孔自孔口位置施工至42m，其中24～42m為煤孔段，穿煤長(zhǎng)度18m，沖出煤量約8t。由于施工過(guò)程中傾角角度偏大，煤層段進(jìn)尺較少，另開(kāi)1-1#補(bǔ)孔。1-1#補(bǔ)孔總進(jìn)尺63m，其中，巖孔段施工54m，煤孔段施工9m，沖出煤量約4.5t。

2)2#孔自孔口位置施工至36.5m處見(jiàn)煤，繼續(xù)鉆進(jìn)至60m處見(jiàn)巖，按設(shè)計(jì)到位，然后退鉆，煤孔段長(zhǎng)度為23.5m，沖出煤量約25t。2-1#孔從12m處開(kāi)分支，施工至40.5m處見(jiàn)煤，在煤層中正常鉆進(jìn)至101m時(shí)鉆進(jìn)至煤層頂板，其中煤孔段57.5m，沖出煤量約35t。

3)3#孔自孔口位置施工至75m，其中，45～75m為煤孔段，穿煤長(zhǎng)度30m，沖出煤量約23t。

4)4#孔自孔口位置施工至70.5m，其中，43.5～70.5m為煤孔段，穿煤長(zhǎng)度27m，沖出煤量約22t。4-1#分支孔從24m處開(kāi)分支，定向鉆進(jìn)至75m，58～75m煤孔段，然后退鉆更換鉆具送鉆至75m，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至105m，煤孔長(zhǎng)度為47m，沖出煤量約30t。4-2#分支孔從12m處開(kāi)分支，鉆進(jìn)至90m見(jiàn)煤，在煤層中從90m鉆進(jìn)至108m，然后退鉆更換鉆具，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至114m，煤孔段長(zhǎng)度為24m，沖出煤量約18t。

3.2 定向復(fù)合鉆進(jìn)效果分析

1)首山一礦己15-17-12110中抽巷至煤層范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為煤厚5.6m，夾矸0.8m，夾矸距煤層底板2.8m。

2)施工梳狀孔時(shí)，主孔布置在煤層底板的砂質(zhì)泥巖層比較合適，易于成孔。

3)由于定向鉆孔施工過(guò)程中使用高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，煤孔沖出煤渣0.7t/m以上，總出煤量165.5t，有效實(shí)現(xiàn)了出煤卸壓消突效果。

4)以17°傾角開(kāi)孔，采用定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)結(jié)合的方式，每個(gè)分支在煤層中可以實(shí)現(xiàn)30m以上鉆進(jìn)，沿傾向采用在主孔上開(kāi)一個(gè)分支的布孔方式，可控制工作面中部70m空白區(qū)域。

4 結(jié) 論

1)采用“定向鉆進(jìn)+回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”相結(jié)合的復(fù)合鉆進(jìn)工藝，在首山一礦己15-17-12110中抽巷外段共施工8個(gè)定向穿層鉆孔，其中，1#孔、1-1#補(bǔ)孔、2#孔、3#孔、4#孔為主孔，2-1#分支、4-1#分支、4-2#分支為分支孔；累計(jì)施工鉆孔長(zhǎng)度580.5m，其中，巖孔段長(zhǎng)度344.5m，煤孔段長(zhǎng)度236.0m；累計(jì)沖出煤量約165.5t。

2)沿傾向施工的2-1#孔的煤孔段57.5 m，沿走向施工的3#孔穿煤長(zhǎng)度30m。說(shuō)明在煤與瓦斯突出煤層中，通過(guò)沿傾向在主孔上開(kāi)分支，可以控制工作面回采區(qū)域瓦斯預(yù)抽，該工藝為己15-17-12110工作面瓦斯治理提供了可靠的技術(shù)支撐。

3)通過(guò)在己15-17-12110中抽巷施工定向穿層鉆孔，探明了己15-17-12110中抽巷至煤層范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：煤厚5.6m，夾矸0.8m，夾矸距煤層底板2.8m。

4)由于定向鉆孔施工過(guò)程中使用高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，煤孔沖出煤渣0.7t/m以上，有效實(shí)現(xiàn)了出煤卸壓消突效果。