定向鉆孔在礦井瓦斯治理中的應用

馮艷陽

（山西汾西礦業孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

瓦斯是煤炭伴生物，隨著井下煤炭生產，煤層中瓦斯會源源不斷向回采空間涌出，回采空間內高濃度瓦斯會給煤炭開采安全及煤炭生產連續性到來較大制約[1-3]。現階段一般采用預抽方式進行瓦斯治理，但也面臨抽采效果不佳、工程量大以及管理難度高等問題[4-5]。隨著鉆探技術發展，定向鉆進技術煤礦井下瓦斯治理、構造探測以及水害防治等方面應用逐漸普遍[6-7]。文中就以山西某礦3506綜采工作面瓦斯治理為工程背景，對定向鉆孔在瓦斯治理中應用進行研討。

1 工程概況

山西某礦井田面積23.5 km2，井田內開采煤層主要為2號、5號、9號、11號等，其中2號及5號層間距為14.5 m，為近距離煤層群，煤層原始瓦斯含量分別為8.9 m3/t、9.7 m3/t。2號煤層3206綜采工作面設計走向長600 m、傾向長160 m，開采范圍內地質構造不發育，局部位置發育有褶曲、小落差斷層。3206綜采工作面頂板以泥質粉砂巖、細砂巖以及泥巖為主，底板以粉砂質泥巖、砂質泥巖等為主。現階段礦井將淺部2號煤層作為保護層先開采，隨著采面推進，底板出現一定卸壓裂隙，導致下部5號煤層瓦斯通過底板裂隙向2號煤層開采空間涌出。經過現場測定發現2號煤層3206綜采工作面瓦斯涌出用約有70%來至于5號煤層，隨著開采范圍增加5號煤層卸壓瓦斯涌出量呈增大趨勢。

目前礦井采用底板穿層鉆孔攔截下部5號煤層瓦斯，具體鉆孔布置見圖1所示。在回風巷內共計布置41個鉆場，單個鉆場內有5個鉆孔（鉆孔開孔間距1 m、終孔間距10 m），在回風巷內共計設計205個抽采鉆孔。采用的底板穿層抽采鉆孔具有鉆探工程量大、鉆探設備頻繁搬家以及作業人員勞動強度高等問題。為此，礦井提出采用定向鉆孔對卸壓瓦斯進行抽采。

圖1 底板穿層鉆孔布置示意圖

2 定向鉆孔現場應用

2.1 鉆孔設計

在3206綜采工作面底板設計3個定向長鉆孔（編號分別為1號、2號及3號）。1號鉆孔與采面回風巷間水平間距為10 m，距離2號煤層底板約7 m（距5號煤層頂板約7 m）；2號鉆孔與1號鉆孔在同一層位，與1號鉆孔間隔15 m；3號鉆孔距離2號鉆孔間距為15 m，與1號及2號鉆孔均在同一層位。具體施工的定向鉆孔參數見表1所示，鉆孔布置圖見下頁圖2所示。

圖2 定向鉆孔布置示意圖

表1 定向鉆孔施工參數

2.2 定向鉆進設備構成

定向鉆孔施工采用的鉆進設備為型號ZDY12000LD液壓鉆機、BW600/10泥漿泵，其他配套使用的測量系統、鉆具等設備規格參數見表2所示。現階段該配套定向鉆進設備在大同礦區、平頂山礦區、晉城礦區以及淮南礦區等防治水、地質構造探測、防滅火以及瓦斯治理等領域中應用較為廣泛。

表2 定向鉆進設備技術參數

鉆孔為二開結構，一開用以下放孔口管（Φ168 mm），二開在2號煤層底板中鉆進（Φ129 mm）。一開施工時先采用98 mm/153 mm鉆頭鉆進，后使用153 mm/193 mm鉆頭擴孔，并將孔口管下放至穩定巖層內；二開定向鉆機采用120 mm鉆頭、89 mm孔底馬達、隨鉆測量儀器、無磁鉆桿、通纜鉆桿，回轉透孔采用120 mm鉆頭、89 mm普通鉆桿。

3 定向鉆孔瓦斯抽采效果

在完成定向長鉆孔施工并接入到瓦斯抽采系統后，對定向鉆孔瓦斯抽采情況進行連續監測并分析3206綜采工作面回采期間采面瓦斯涌出情況。通過監測發現，1號、2號及3號定向鉆孔瓦斯濃度別為77.4%、52.1%、45.7%，純量分別為5.3 m3/min、4.2 m3/min、2.9 m3/min，3個定向鉆孔瓦斯抽采濃度雖然有所差異，但是瓦斯抽采濃度以及抽采純量均保持高位，可有效攔截5號煤層卸壓瓦斯。

對定向鉆孔抽采期間3206綜采工作面瓦斯濃度進行監測，發現在定向鉆孔抽采之前回風巷、回風隅角位置瓦斯濃度最高分別為0.5%、0.75%，存在較高的瓦斯超限風險；在定向鉆孔接抽后，由于5號煤層卸壓瓦斯得以有效攔截，采面回風巷、回風隅角位置瓦斯濃度分別降至0.27%、0.48%，采面回采期間5號煤層卸壓瓦斯涌出量過大問題得以有效解決。

4 結論

1）常規的瓦斯抽采鉆孔存在鉆孔工程量大、作業人員勞動強度高等問題，為此提出采用定向長長鉆孔對3206綜采工作面回采期間底板5號煤層卸壓瓦斯進行攔截抽采。定向長鉆孔可精準控制鉆孔施工層位，避免抽采盲區并實現長距離抽采目的。

2）在3206綜采工作面應用定向長鉆孔抽采瓦斯期間鉆孔瓦斯抽采純量平均為4.13 m3/min，抽采量是原穿層鉆孔的25.8倍，瓦斯攔截效果較好。通過在3206綜采工作面2號煤層底板下方7 m位置布置定向鉆孔后，采面回風巷、回風隅角瓦斯濃度均控制在0.27%、0.48%以內，可確保采面后續回采安全。