定向長鉆孔超前治理掘進(jìn)工作面瓦斯技術(shù)研究

張潞路

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 古城煤礦， 山西 長治 046000)

目前，瓦斯抽采是我國煤礦瓦斯綜合治理和利用的主要途徑與根本措施，為了實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效高產(chǎn)，必須通過有效的抽采措施，降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，從而確保煤礦采掘作業(yè)的安全高效。經(jīng)過幾十年的工程實(shí)踐和研究，我國建立了以鉆孔和巷道為主的井下抽釆模式和井上下聯(lián)合立體綜合抽釆模式[1-2]. 煤礦井下煤層鉆孔抽釆方法可應(yīng)用于所有抽釆對象，適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域遞進(jìn)式煤層卸壓抽釆，是我國煤礦瓦斯的主要治理方式[2-4]. 但是隨著采掘深度和采掘強(qiáng)度的不斷增加，該工藝在掘進(jìn)工作面瓦斯治理中逐漸暴露出一些問題：由于工作面走向長，普通鉆孔孔深較淺，需將整個煤巷掘進(jìn)條帶分為若干個循環(huán)，每個循環(huán)均需采取鉆孔—瓦斯抽采達(dá)標(biāo)—掘進(jìn)的過程，工期較長，影響礦井采掘接替，亟需探索合理的瓦斯治理方法。

近年來，千米鉆機(jī)施工定向鉆孔工藝逐步在煤礦瓦斯治理領(lǐng)域得到推廣。該工藝具有成孔深，鉆孔軌跡可控，可一個鉆孔循環(huán)覆蓋整個掘進(jìn)條帶，同時按照設(shè)計軌跡達(dá)到目標(biāo)層位等優(yōu)點(diǎn)[4-5]. 潞安古城煤礦為了超前治理煤層條帶瓦斯，有效縮短抽掘銜接工期，緩解礦井采掘接替緊張問題，引入了定向長鉆孔治理掘進(jìn)工作面瓦斯技術(shù)。但是在應(yīng)用過程中，遇到了煤巷掘進(jìn)后在迎頭方向的定向長鉆孔失效問題，迎頭長鉆孔不能長時間持續(xù)抽采，造成鉆孔利用率低。為此，提出了主孔在巖層中布置，在煤層中不同區(qū)域布置分支孔的定向長鉆孔抽采方式，并在古城煤礦現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

1 工程背景

根據(jù)古城煤礦采掘部署情況，選擇在南翼膠帶掘進(jìn)工作面進(jìn)行定向長鉆孔超前抽采高效掘進(jìn)技術(shù)研究。南翼膠帶大巷掘進(jìn)工作面從南2盤區(qū)大巷10#貫開口，東側(cè)與南翼輔運(yùn)大巷平行相鄰，西側(cè)與南翼2#回風(fēng)大巷平行相鄰。南翼膠帶大巷反掘主要布置在3#煤層中，沿煤層頂板掘進(jìn)。3#煤層位于山西組下部，3#煤層純煤厚度 3.35～9.65 m，平均6.05 m，煤層平均傾角為-15°～+8°. 工作面煤層底板等高線為320～356 m，工作面設(shè)計長度435 m，巷道寬度5.7 m、斷面高度4.2 m，巷道斷面為23.94 m2. 煤層頂板由下而上巖性依次是：砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖；底板由上而下巖性依次是：砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，該煤層屬穩(wěn)定型煤層。

2 掘進(jìn)工作面定向長鉆孔布置與軌跡優(yōu)化

2.1 定向長鉆孔合理布置原則

古城煤礦分別在多個地點(diǎn)進(jìn)行過本煤層定向長鉆孔施工，試驗(yàn)區(qū)域煤層堅固性系數(shù)為0.37～0.62，平均0.49，鉆孔平均長度400 m，但有部分鉆孔長度超過300 m時，就因塌孔而無法繼續(xù)鉆進(jìn)。而千米鉆機(jī)順煤層鉆孔較為成功的晉城地區(qū)煤礦平均孔深可達(dá)800 m以上，堅固性系數(shù)在0.78～1.64[9]. 通過對比可以發(fā)現(xiàn)，古城煤礦的煤體堅固性系數(shù)相對較低是導(dǎo)致鉆孔深度較淺的重要原因。因此，不建議直接在煤層中利用千米鉆機(jī)施工長距離定向鉆孔。通過分析現(xiàn)場已經(jīng)施工鉆孔的穩(wěn)定性，結(jié)合古城煤礦掘進(jìn)工作面特征提出以下定向長鉆孔的布置原則：

1) 將定向鉆孔主孔布置在距煤層一定距離的強(qiáng)度較高的頂(底)板巖層中，增強(qiáng)鉆孔穩(wěn)定性。

2) 定向鉆孔保持仰角施工，及時排渣排漿，減削水的弱化作用。

3) 定向鉆孔設(shè)計軌跡盡量簡單、平滑，減弱鉆孔圍巖應(yīng)力集中的影響，增強(qiáng)鉆孔承受能力。

4) 靠近巷道的第一個鉆孔與巷道軸線距離大于 2 倍的巷道等效半徑，使得鉆孔避開由巷道開挖引起的應(yīng)力集中范圍，并且單獨(dú)抽采。

5) 頂板主孔隔一定距離向下(向上)開分支，分支孔盡量在煤層中延伸，增大抽采卸壓范圍。

6) 施工短距離本煤層超前預(yù)抽補(bǔ)充孔，這是由于千米鉆孔布置在頂板以后鉆場前方存在抽釆盲區(qū)。

2.2 定向長鉆孔優(yōu)化布置方式

根據(jù)古城煤礦掘進(jìn)巷道瓦斯治理的實(shí)際需求，一方面要提高抽釆鉆孔成孔率，另一方面要保障抽采效果。基于兩個目的，結(jié)合定向千米鉆機(jī)性能，提岀釆用“梳狀”定向長鉆孔超前預(yù)抽遠(yuǎn)距離煤層瓦斯掩護(hù)巷道掘進(jìn)。該方法將定向長鉆孔主孔布置在巖層中，使之長時間存在，并從主孔向煤層施工分支鉆孔，以期達(dá)到“一孔多用”的效果。即“梳狀”定向長鉆孔前期以分支孔直接預(yù)抽煤層瓦斯；中期利用鉆孔自身和掘進(jìn)巷道的雙重卸壓效果，主孔段和分支孔均可發(fā)揮作用抽釆煤層卸壓瓦斯；后期隨著回采工作面的推進(jìn)，可繼續(xù)利用鉆孔進(jìn)行工作面前方卸壓瓦斯抽采或者工作面上隅角瓦斯抽釆。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆孔主設(shè)計方位與預(yù)掘巷道的空間位置關(guān)系，提出“縱向”和“橫向”兩種瓦斯抽釆鉆孔布置方式。

1) 縱向布置方式。

當(dāng)鉆孔主設(shè)計方位與掘進(jìn)巷道在空間呈垂直關(guān)系時，將這種布置方式稱為“梳狀”定向長鉆孔縱向布置方式，見圖1. 利用千米鉆機(jī)長距離鉆孔和拐彎鉆孔的特點(diǎn)，向鄰近接替工作面施工頂板或底板主鉆孔，覆蓋2～3個接替工作面，以期可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性煤層瓦斯預(yù)抽，每隔一段距離向下或向上施工分支孔，溝通煤層以增大卸壓范圍、提高抽采效果。

圖1 “梳狀”定向長鉆孔縱向布置方式圖

2) 橫向布置方式。

當(dāng)鉆孔主設(shè)計方位與掘進(jìn)巷道在空間上平行時，將這種布置方式稱為“梳狀”定向長鉆孔橫向布置方式，見圖2. 由于主鉆孔布置在頂板或底板，前方抽釆區(qū)域出現(xiàn)盲區(qū)，需要施工一定距離的本煤層超前預(yù)抽補(bǔ)充孔。

圖2 “梳狀”定向長鉆孔橫向布置方式圖

2.3 定向長鉆孔軌跡設(shè)計

在南翼膠帶大巷8號鉆場處按照“梳狀”定向長鉆孔縱向布置方式進(jìn)行設(shè)計(圖3)，共設(shè)計6個定向鉆孔，合計37個分支，分別是1#鉆孔459 m(15個分支)、2#鉆孔459 m(2個分支)、3#鉆孔456 m(3個分支)、4#鉆孔430 m(3個分支)、5#鉆孔426 m(13個分支)、6#鉆孔150 m(1個分支)。

圖3 “梳狀”定向長鉆孔設(shè)計平、剖面示意圖

3 掘進(jìn)面定向鉆孔抽采效果分析

在南翼膠帶大巷8號鉆場定向鉆孔竣工長度6 204 m(包含各支孔)，鉆孔預(yù)抽煤體投影面積為30 030 m2，該區(qū)域煤體平均厚度為6.05 m，預(yù)抽煤量25.43萬t，該區(qū)域原始瓦斯含量14.3 m3/t，瓦斯賦存量約為363.64萬m3. 分析古城煤礦掘進(jìn)工作面定向長鉆孔的瓦斯治理效果，對南翼膠帶大巷治理區(qū)域的定向鉆孔抽采量、煤層殘余瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃熬蜻M(jìn)速度進(jìn)行跟蹤測試與對比分析。

3.1 鉆孔抽采量

通過流量測定裝置和光干涉式甲烷測定儀對定向鉆孔的抽采濃度、抽采流量進(jìn)行了跟蹤測試，6個月內(nèi)各鉆孔的抽采濃度可達(dá)50.56%～85.84%，抽采純量可達(dá)0.2～0.35 m3/min，抽采效果良好。相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 定向鉆孔抽采參數(shù)表

3.2 殘余瓦斯含量

經(jīng)過6個月的預(yù)抽后，在南翼膠帶大巷反掘過程中施工鉆孔測定殘余瓦斯含量，測點(diǎn)位置位于原測點(diǎn)附近，共布置4個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)采集3號煤層煤樣1個，并進(jìn)行瓦斯含量測試，測試結(jié)果與原始含量見表2.

表2 殘余瓦斯含量測試結(jié)果表

將原始瓦斯含量與殘余瓦斯含量測試結(jié)果進(jìn)行對比，經(jīng)過6個月的預(yù)抽，南翼膠帶大巷4個測點(diǎn)的瓦斯含量得到不同幅度的降低，瓦斯含量降幅最大達(dá)到58%，瓦斯含量均小于7 m3/t.

3.3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)

在南翼膠帶大巷反掘工作面掘進(jìn)期間進(jìn)行抽采效果檢驗(yàn)，測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1，共計施工3個長度為10 m的鉆孔，每2 m取1個煤樣，利用WTC型瓦斯突出參數(shù)儀進(jìn)行測試，共計測試15個指標(biāo)，并與抽采前的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，南翼膠帶大巷測點(diǎn)處的K1值均大幅減小，降幅21%～56%，最大降幅達(dá)到56%，見圖4.

圖4 抽采前后K1值對比圖

3.4 掘進(jìn)面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葘Ρ?/h3>

通過調(diào)取2021年10月1日—10月15日南膠延伸段與南輔延伸段的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛犬?dāng)日最大值，對是否采用定向鉆孔抽采的掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行對比，其中南翼膠帶巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.11%～0.34%，未采取定向鉆孔抽采方式的南翼輔運(yùn)大巷最大瓦斯?jié)舛葹?.31%～0.59%. 說明優(yōu)化后的定向鉆孔預(yù)抽瓦斯效果非常好，有效解決了制約掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)的瓦斯問題，瓦斯?jié)舛葘Ρ纫妶D5.

圖5 回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

4 結(jié) 論

根據(jù)古城煤礦定向鉆孔的工程實(shí)踐與煤層情況，提出釆用頂(底)板“梳狀”定向長鉆孔縱向布置的方式掩護(hù)預(yù)抽掘進(jìn)巷道煤層瓦斯，將瓦斯抽釆鉆孔主孔的一段布置在煤層頂板巖層中從而增強(qiáng)鉆孔穩(wěn)定性，其次通過主孔每隔一定距離向下施工分支孔深入煤層從而保證抽釆效果。

通過在掘進(jìn)工作面采用定向長鉆孔預(yù)抽后，南翼膠帶大巷的瓦斯含量得到不同幅度的降低，瓦斯含量降幅最大達(dá)到58%；南翼膠帶大巷測點(diǎn)處的K1值均大幅減小，降幅為21%～56%；南翼膠帶巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛?.11%～0.34%，未采取定向鉆孔抽采方式的南翼輔運(yùn)大巷最大瓦斯?jié)舛?.31%～0.59%，說明優(yōu)化后的定向鉆孔預(yù)抽瓦斯效果較好，有效解決了制約掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)的瓦斯問題，掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛仁冀K控制在0.5%以下。