興峪煤礦高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術研究

劉成軍

（晉能控股煤業集團陽泉煤炭事業部，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

興峪煤礦位于陽泉市盂縣，現采煤層為沁水煤田15 號煤，煤層厚度6.18～6.78 m，平均6.5 m，設計生產能力90 萬t/a。根據綜合測試鑒定，15#煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級，屬不易自燃煤層，煤塵有爆炸危險性。煤層堅固性系數為0.31～0.4，透氣性系數為1.294～5.224 m2/MPa2·d，透氣性較差。15#煤層瓦斯含量為8.46～10.89 m3/t，瓦斯壓力為0.23～0.45 MPa。

煤層回采工作面瓦斯涌出都以鄰近層為主、開采層為輔，其中，鄰近層瓦斯涌出占60.49%，開采層瓦斯涌出占39.51%，屬于高瓦斯礦井。

目前礦井采取順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，由于鉆進裝備不具備定向功能，不能控制鉆孔軌跡，鉆孔施工過程中受地層條件、地質構造等因素影響，鉆孔軌跡未按照設計成孔，導致工作面形成抽采空白帶。且不能確定抽采空白帶區域、規模，對礦井瓦斯治理造成難題。因此，開展15#煤層定向長鉆孔瓦斯治理技術研究[1-5]，對保障煤層瓦斯治理水平和開采的安全性具有重要意義。

2 高位定向鉆孔參數設計

2.1 鉆孔施工層位確定

瓦斯高位鉆孔一般施工在裂隙帶內的穩定巖層內。裂隙帶的高度按煤層高度的5 倍計算，15#煤的煤層高度為6.5 m，則裂隙帶高度為32.5 m。在高度范圍內根據煤層上方巖層情況，選擇普氏系數小于8 的穩定巖層作為鉆孔施工層位。距15#煤層33～39 m 范圍內的粉砂巖層抗壓強度大于40 MPa，普氏系數為7.1，可作為本次定向鉆孔的施工層位。

2.2 鉆孔參數確定

（1）鉆孔深度及孔徑

鉆孔的孔深主要與巖層情況、鉆機能力、瓦斯含量等因素有關。另外，鉆孔深度增大后，其鉆進效率及瓦斯抽采效率都會隨之降低。興峪煤礦15508工作面傾向長度為180 m，走向長度為1500 m，鉆孔可按500 m 為間距，分為三段布置。為保證瓦斯抽放效果，綜合考慮各影響因素，確定鉆孔深度為500～700 m。15508 工作面布置方式如圖1。

圖1 15508 工作面布置圖

（2）鉆孔數量及間距

根據以往采空區瓦斯治理經驗，高位定向鉆孔一般與巷道平行布置。考慮到鉆孔施工時相鄰鉆孔間會相互影響，為了保證施工進度及鉆孔軌跡精度，高位鉆孔的間距需控制在5～10 m 之間，因此各鉆場的高位孔數量應小于10 個。考慮現場實際條件，確定每個鉆場施工3 個鉆孔。

根據通風實測數據推測，興峪煤礦15508 工作面在回采期間，其瓦斯最大涌出量為9 m3/min，其中60%為采空區內的瓦斯。為提高抽放效果，設計布置3 個直徑為153 mm 的鉆孔，鉆孔間距為10 m，各鉆孔與回風巷分別相距15 m、25 m 及35 m。其平面布置示意圖如圖2。

圖2 高位定向長鉆孔平面布置示意圖（m）

（3）鉆孔剖面布置形式

高位鉆孔開孔位置一般選擇在同一條水平線上，即高度一致，若所開采煤層的走向趨勢無法確定，則鉆孔在剖面上可選擇上下分層布置，即布置兩排不同高度的鉆孔。興峪煤礦15508 工作面煤層走向不明，則其鉆孔布置形式采用上下分層布置，如圖3。

圖3 高位定向長鉆孔在剖面分布

2.3 鉆孔軌跡設計

在15508 回風巷布置3#鉆場，該鉆場共布設3個高位定向長鉆孔，1#、2#、3#鉆孔的終孔位置與15#煤層的垂直距離分別為22.8 m、20.0 m、17.1 m，具體鉆孔參數如下（軌跡圖如圖4 所示）。

圖4 高位定向長鉆孔軌跡示意圖（m）

（1）1#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為11°，開孔磁方位角為247°。設計鉆孔鉆進100 m 后進入15#煤層正上方22.8 m 的位置，繼續鉆進至510 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內。由于1#鉆孔終孔層位的巖性為泥巖，鉆進時可能出現鉆孔斷面縮小或塌孔現象，施工時需注意，并及時清理。

（2）2#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為8°，開孔磁方位角為255°。設計鉆孔鉆進100 m 后進入15#煤層正上方20.0 m 的位置，繼續鉆進至510 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內。由于2#鉆孔終孔層位的巖性為中粒砂巖，鉆進時可能出現鉆頭磨損的情況，施工至該層位時需更換堅固性較高的鉆頭及鉆具，保證鉆進效率。

（3）3#鉆孔

鉆孔深度為510 m，鉆孔仰角為10°，開孔磁方位角為266°。設計鉆孔鉆進100 m 后進入15#煤層正上方17.1 m 的位置，繼續鉆進至400 m 深度期間，鉆孔均保持在該高度內，由400 m 鉆進至510 m 期間，終孔位置逐漸調整降低至35 m 的位置。由于3#鉆孔目標層位的巖性為砂質泥巖，鉆進時可能出現鉆孔斷面縮小或塌孔現象，施工時需注意，并及時清理。

3 定向鉆進裝備選型

3.1 定向鉆機

考慮到設計鉆孔的深度為500～700 m，屬于超深鉆孔，且孔徑為153 mm，相對較大，因此，需選擇鉆進能力大，可采用大直徑鉆具的鉆機。另外，由于興峪煤礦地質條件較為復雜，煤層周圍存在多個地質構造，加之頂板上方有多個泥巖層，強度較低，鉆孔成型質量將會受到影響，因此，鉆機還需具備處理塌孔事故的能力。

綜合考慮，最佳鉆機選擇方案為ZYL-17000D履帶式全液壓千米定向鉆機。

3.2 泥漿泵車

ZYL-17000D 履帶式千米定向鉆機配備Φ89 mm 五級螺桿鉆具，其功率較大，要求的泥漿流量不低于375 L/min。為了滿足大功率螺桿鉆具對泵壓和流量的要求，同時，考慮井下運輸搬遷要求，泵車需選擇較大流量的BLY390/12 型煤礦井下定向鉆進用全液壓履帶泵車。

3.3 螺旋鉆桿

由于鉆孔孔徑較大，施工時需采用定向擴孔工藝，同時可提升頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果。另外，由于興峪煤礦地質條件較為復雜，為避免鉆孔發生塌孔后無法處理，選型擴孔鉆桿要具備復雜地層高效排渣的能力。經過綜合分析和考慮，優選Φ89 mm/73 mm 大通徑寬翼片螺旋鉆桿用于回轉擴孔鉆進。

4 瓦斯抽采效果分析

為評價高位定向長鉆孔方案及設備的瓦斯抽采效果，對15508 回風巷各定向鉆孔的卸壓掏煤量及瓦斯抽采量進行了統計分析。各鉆孔掏煤量統計見表1。

由表1 可知，定向鉆孔在興峪煤業實現了“掏的出”，掏煤卸壓半徑增大，掏煤量突破0.5 m3/m，有利于卸壓增透，溝通裂隙，提高了煤層的透氣性系數，增加抽采范圍，提高抽采效果。

表1 鉆孔掏煤量統計

瓦斯抽采量統計結果表明，高位定向鉆孔的初始最大抽采瓦斯濃度為80.6%，初始最大純瓦斯量為0.66 m3/min，回風巷鉆場累計抽采量63 473 m3。可見采用定向高位鉆孔后，工作面的瓦斯抽采量大幅提高，降低了作業環境的瓦斯含量，治理效果良好，有效保障了工作面的回采安全。

5 結論

（1）根據興峪煤礦15508 工作面的實際地層條件，結合類似工程經驗，確定出高位定向鉆孔施工層位為煤層頂板上方33～39 m 范圍內的砂巖層，鉆孔深度為500～700 m，鉆孔間距為10 m，并對鉆孔布置及鉆孔軌跡進行了設計。

（2）根據高位定向鉆孔的設計參數，結合巷道條件及地層條件，對定向鉆機、泥漿泵車、螺桿鉆具等定向鉆進裝備進行了合理選型。

（3）現場工業性試驗結果表明，高位定向鉆孔的掏煤卸壓半徑增大，掏煤量突破0.5 m3/m，卸壓增透效果顯著；鉆場覆蓋范圍內的瓦斯含量下降了0.258 m3/t，瓦斯治理效果良好，保證了礦井安全高效生產。