高位定向長鉆孔在綜放工作面頂板裂隙瓦斯抽采中的應用研究

杜回東

（汾西礦業集團煤礦安全監察中心，山西 介休 032000）

礦井生產過程中瓦斯是制約回采安全的不利因素，同時隨著礦井采掘深度增加，煤炭開采過程中受瓦斯影響更為明顯[1-2]。瓦斯抽采是治理瓦斯災害的主要技術措施，采空區瓦斯涌出是綜放工作面瓦斯涌出的主要來源，采空區瓦斯治理技術包括有頂板高位鉆孔、高抽巷、采空區埋管等，普遍存在鉆孔施工精度不高、工程量大、成本高以及后期維護工作量大等問題[3-7]。近些年來千米定向鉆機在超前探測、防治水以及煤層瓦斯抽采中應用逐漸廣泛，將千米定向鉆機應用到綜放工作面頂板裂隙瓦斯抽采中可改變瓦斯流動方向，減少采空區瓦斯向采面涌出量，從而為避免上隅角、回風巷出現瓦斯超限問題，實現采面安全回采。

1 工程概況

山西某礦為高瓦斯礦井，現階段回采3 號煤層，煤層埋深深度平均360 m，厚度6.8 m，采用綜放開采工藝。3301 綜放工作面為南翼3 采區首個綜放工作面，采面設計推進長度1 980 m、斜長205 m，開采范圍內3 號煤層瓦斯含量平均5.6 m3/t、煤層硬度04～0.62、透氣性系數0.019 0～0.028 1 m2/（MPa2·d）。采面在回采巷道內預先布置本煤層鉆孔對瓦斯進行抽采，鉆孔間隔5 m。以往礦井通過布置高抽巷方式對采空區瓦斯進行抽采，雖然可有效降低采空區瓦斯涌出量，但是存在成本高、巷道施工工程量大等問題。為此，提出采用高位定向鉆孔代替高抽巷對采空區瓦斯涌出進行治理。

2 頂板高位鉆孔設計及施工

2.1 鉆孔布置

在3301 綜放工作面回風巷內側間隔600 m 布置一個鉆場（長×寬×高=10 m×5 m×3.5 m），在鉆場內施工5 個高位定向鉆孔。在鉆孔施工過程中可依據鉆進煤巖層松軟、破碎情況布置分支鉆孔。根據3301綜放工作面現場實際情況，設計的高位定向鉆孔終孔位于3 號煤層頂板上覆15～30 m、距離回風巷巷幫3～23 m。具體采面內高位鉆孔布置見圖1 所示，施工參數見表1。

圖1 采面內高位鉆孔布置示意圖

表1 高位鉆孔設計參數

2.2 鉆孔施工設備

高位定向鉆孔采用ZYWL-6000D 全液壓履帶式鉆機，并配合測量系統以及定向鉆桿鉆進。鉆孔施工過程中采用的定向鉆桿結構見下頁圖2，鉆桿類型為凹槽螺旋定向鉆桿，該鉆桿具有強度高、信號傳遞效果好、密閉性強、排渣效果明顯等優點，不僅可滿足復雜地層使用需要而且可提高鉆孔成孔率及成孔深度。測量系統結構包括有信號傳輸線、探管、顯示屏等構成，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、精度高等優點。

圖2 定向鉆桿結構圖

施工的高位頂線鉆孔孔徑均為153 mm，鉆孔施工時先采用Φ96 mm 鉆頭鉆進9 m，隨后分別采用1 173 mm、220 mm 鉆頭擴孔并鉆進至19 m。鉆孔內下放168 mm 封孔管，進行注漿封孔，封孔長度控制在15 m。封孔時采用的封孔材料為水泥、水、速凝劑等構成，并按照1.0∶1.0∶0.2（質量比）組成水泥漿進行封孔。鉆孔封孔完畢12 h 并確保漿液凝固后方可繼續鉆進。鉆孔封孔完成后，及時封堵鉆場內破碎網片，若鉆孔鉆進過程中發現鉆孔片幫或者頂板不穩定時，應立即停止施工并匯報，待采取措施并確保安全后方可重新施工。

3 高位定向鉆孔瓦斯抽采效果分析

3301 綜放工作面于2021 年8 月19 日回采推進至高位鉆孔覆蓋區，此時采面與鉆場間距為450 m，在后續采面回采期間對高位鉆孔瓦斯抽采效果以及回風巷、上隅角位置瓦斯濃度進行實時監測。具體高位鉆孔瓦斯抽采情況見表2 所示。

表2 高位鉆孔瓦斯抽采參數

高位鉆孔瓦斯抽采期間單孔最大瓦斯抽采濃度達到30%、瓦斯抽采純量可達到2 417 m3；鉆場內施工的5 個定向鉆孔單日抽采純量可達到7 378 m3，瓦斯抽采效果較為明顯。采面在高位鉆孔控制范圍內推進時，回風巷內以及回風上隅角位置瓦斯濃度分別控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%間，瓦斯無超限事故發生。通過在采面內布置高位鉆孔確保了采面回采安全，采面推進速度由以往1.8 m/d 提升至2.4 m/d。

4 結論

1）綜放開采具有產量高、效益好等優點，但是由于開采強度大，采面回采過程中也存在采空區瓦斯涌出量大問題。為降低采空區瓦斯涌出量及瓦斯治理成本，提出采用高位頂向鉆孔代替傳統的高抽巷對采空區瓦斯進行抽采。

2）依據3301 綜放工作面現場情況，對高位鉆孔布置、施工方案以及瓦斯抽采效果進行分析。在回風巷內間隔450 m 布置一個鉆場，在鉆場內布置5 個高位抽采鉆孔，采面回采至高位抽采鉆孔影響區內后，鉆孔抽采濃度最高可達30%、單日抽采純量最高可達2 417 m3，采面回風巷、回風隅角瓦斯濃度分別控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%間，同時采面推進速度由1.8 m/d 提升至2.4 m/d，取得較好瓦斯治理效果。

3）通過3301 綜放工作面高位瓦斯抽采鉆孔應用，為采面采空區瓦斯治理積累了寶貴經驗，同時可為礦井后續采面高位瓦斯抽采提供指導。