千米鉆孔水鎖現(xiàn)象效果影響及處理技術研究

李 鵬，馬金魁，許江濤

（1.山西陽泉上社二景煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

引言

晉城礦區(qū)千米鉆機應用較為成熟，千米定向鉆孔抽采已成為多數(shù)礦井瓦斯抽采的主要方法之一[1-2]。2019 年出版的《防治煤與瓦斯突出細則》中明確規(guī)定了將千米定向鉆孔預抽采作為區(qū)域防突措施，由此可以看出，千米鉆孔抽采具有優(yōu)越的抽采效果和經(jīng)濟性能[3-5]。千米鉆機進行定向區(qū)域抽采，通過施工條帶和模塊鉆孔，在能夠掌握多種定向施工的經(jīng)驗和技術工藝的基礎上，探清工作面前方煤層的構造特征，實現(xiàn)工作面超前預抽并實現(xiàn)抽采達標，是千米鉆孔抽采主要的應用成果[6-7]。

千米鉆孔在施工過程中，當煤層頂?shù)装遄兓^大時，鉆孔在煤層頂?shù)装遄兓瘏^(qū)域內存有積水，因鉆孔施工距離長，孔口負壓未能將孔內積水全部抽出，造成鉆孔末端積存大量的瓦斯，此現(xiàn)象稱為水鎖現(xiàn)象[8]。巷道在掘進過程中，掘進至巷道低洼處水鎖現(xiàn)象區(qū)域時，一旦揭露千米鉆孔，造成鉆孔出水，積存的瓦斯會瞬間涌出，造成工作面發(fā)生瓦斯超限事故，嚴重影響了巷道的正常掘進，給煤礦安全生產帶來了隱患。

1 千米鉆機施工存在的問題

成莊礦自2007 年開始使用千米鉆機進行定向區(qū)域抽采，通過施工條帶和模塊鉆孔，掌握了多種定向施工的經(jīng)驗和技術工藝，主要目的是已治理煤層瓦斯及探清煤層構造為主，實現(xiàn)抽采達標。但在施工過程中受煤層頂?shù)装遄兓^大時，鉆孔在煤層頂?shù)装遄兓瘏^(qū)域內存有積水，因鉆孔施工距離長，孔口負壓未能將孔內積水全部抽出，造成鉆孔末端積存大量的瓦斯，此現(xiàn)象稱為水鎖現(xiàn)象。巷道在掘進過程中，掘進至巷道低洼處水鎖現(xiàn)象區(qū)域時，一旦揭露千米鉆孔，造成鉆孔出水，積存的瓦斯會瞬間涌出，造成工作面發(fā)生瓦斯超限事。嚴重影響了的巷道的正常掘進，給煤礦安全生產帶來了隱患。

通過優(yōu)化千米鉆孔設計，改進千米鉆孔施工工藝，解決因水鎖現(xiàn)象早成的瓦斯積聚、抽放效果不好的現(xiàn)象，保證隊組掘進、回采的安全。

2 水鎖現(xiàn)象的改進方案及處理方法

2.1 改進方案

通過優(yōu)化千米鉆孔設計，改進千米鉆孔施工工藝，在鉆孔施工結束后，針對煤層頂?shù)装遄兓^大易造成水鎖現(xiàn)象區(qū)段，通過在該鉆孔周圍施工一個軌跡較平緩的鉆孔（通過穿頂板或底板施工）與該鉆孔內各存水區(qū)段打穿，保證鉆孔內瓦斯能抽出。采用該方式對易造成水鎖現(xiàn)象的區(qū)段進行瓦斯抽放。提高鉆孔施工覆蓋區(qū)瓦斯抽采的效果，消除鉆孔覆蓋區(qū)段瓦斯積存的情況，保證掘進隊組安全掘進。具體有兩種實施方案：

方案一：調整鉆孔施工軌跡，通過穿頂板或穿底板施工的方式，使鉆孔施工軌跡平緩，與其他鉆孔存在的水鎖現(xiàn)象區(qū)域打通，保證鉆孔內不出現(xiàn)瓦斯積存的現(xiàn)象，提高鉆孔覆蓋區(qū)域的抽放效果。

方案二：在施工下行鉆孔時，孔底區(qū)域屬于水鎖現(xiàn)象區(qū)域，通過調整鉆機施工地點，將鉆機調整為施工上行鉆孔并與下行鉆孔末端打通，通過施工的上行鉆孔將下行鉆孔內的積水排除，保證了鉆孔的抽放效果，降低了回采工作面千米鉆孔區(qū)域的瓦斯超限的幾率，提高了采煤隊組的生產效率。

2.2 處理效果

通過制訂的方案，在4106 巷同一施工地點開展了調整鉆孔軌跡和調整鉆機施工地點的方法，對比考察其方案的可行性。

方案實施前的千米定向鉆孔水鎖現(xiàn)象如圖1 所示；方案實施后的如圖2 所示。

圖1 方案實施前的千米定向鉆孔水鎖現(xiàn)象

通過圖1 和圖2 的定向鉆孔軌跡可以看出，鉆孔在80～100 m 位置處極易出現(xiàn)鉆孔塌陷導致的水鎖現(xiàn)象，在后續(xù)鉆孔的施工過程中，積水嚴重并呈現(xiàn)較大水窩，既影響鉆孔施工效率，又影響抽采效果。通過調整鉆孔的軌跡設置，在極易造成水鎖的位置采用挑頂或臥底施工，避開極易塌孔的煤體部位，避免鉆孔全長范圍內積水。

圖2 方案實施后的千米定向鉆孔水鎖現(xiàn)象

3 解決的關鍵問題及推廣應用

3.1 關鍵問題

解決了因水鎖現(xiàn)象導致的瓦斯超限事故，提高鉆孔覆蓋區(qū)域的抽放效果；減少了掘進時施工探測孔的數(shù)量，降低了工作量，大大提高了掘進效率；保證了鉆孔的抽放效果，降低了回采工作面千米鉆孔區(qū)域的瓦斯超限的幾率，提高了采煤隊組的生產效率。

通過優(yōu)化千米鉆孔設計，改進千米鉆孔施工工藝，在鉆孔施工結束后，針對煤層頂?shù)装遄兓^大易造成水鎖現(xiàn)象區(qū)段，通過在該鉆孔周圍施工一個軌跡較平緩的鉆孔，與其他鉆孔存在的水鎖現(xiàn)象區(qū)域打通，保證鉆孔內不出現(xiàn)瓦斯積存的現(xiàn)象，提高鉆孔覆蓋區(qū)域的抽放效果。

3.2 推廣應用

通過優(yōu)化千米鉆孔設計，改進千米鉆孔施工工藝。首先，杜絕了巷道掘進時因揭露千米鉆孔導致的瓦斯超限事故，有效提高了千米鉆孔的覆蓋區(qū)域的抽放效果。其次，減少了掘進時施工探測孔的數(shù)量，降低了工人的工作量，提高了掘進效率。最后，保證了鉆孔的抽放效果，降低了回采工作面千米鉆孔區(qū)域的瓦斯超限的概率，提高了采煤隊組的生產效率。具有良好的擴展性和推廣價值，可以在晉煤集團其他主要大型礦井推廣應用。

4 結語

通過優(yōu)化千米鉆孔設計，改進千米鉆孔施工工藝，設計施工平滑軌跡鉆孔與水鎖區(qū)域鉆孔打穿，單孔最大抽放純量達到8 m3/min，有效解決了因水鎖區(qū)域造成的瓦斯積聚問題，保證了鉆孔的抽放效果，縮短了抽放年限，保證了巷道的正常銜接，降低了掘進巷道區(qū)域的瓦斯超限的概率，提高了采掘隊組的生產效率。