近距離煤層群定向鉆孔關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)研究

劉義孟

（山西省中陽榮欣焦化有限公司高家莊礦，山西 中陽 033400）

1 工作面概況

高家莊礦位于中陽縣境內(nèi)，屬離柳礦區(qū)，礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。2021 年測定礦井絕對瓦斯涌出量25.70 m3/min，相對瓦斯涌出量21.60 m3/t，回采工作面絕對瓦斯涌出量為4.66 m3 /min，掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量為5.43 m3/min。東翼軌道大巷工作面位于高家莊礦一期開采范圍的東南角，西北部為2205 工作面，東部為未采動區(qū)域，西部為已施工完成的東翼軌道大巷，南部為未采動區(qū)域。工作面迎頭所揭露煤層為山西組3 號煤層，沿3 號煤層掘進(jìn)，巷道頂板距2 號煤層法距7.0～7.8 m。巷道底板距4 號煤層法距0～4.0 m，平均2.0 m。瓦斯基本參數(shù)見表1。

表1 礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表

2 定向鉆孔負(fù)壓分布規(guī)律分析

2.1 鉆孔抽采負(fù)壓損失

煤層進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，抽采負(fù)壓使煤體內(nèi)的瓦斯不斷涌入鉆孔，與鉆孔內(nèi)的瓦斯混合后沿孔壁流出鉆孔。這一過程中，鉆孔內(nèi)瓦斯流動時(shí)與孔壁發(fā)生摩擦?xí)斐沙椴韶?fù)壓產(chǎn)生沿程摩擦阻力損失。另外，由于鉆孔傾角導(dǎo)致的鉆孔內(nèi)瓦斯勢能的改變會造成勢能損失。其中，沿程摩擦阻力損失為主要損失；混合損失量目前只有通過實(shí)驗(yàn)來近似得出，還沒有通用表達(dá)式；當(dāng)鉆孔傾角為近水平時(shí)，可認(rèn)為勢能損失為零。因此，本文只考慮沿程摩擦阻力損失和加速度損失。

2.2 定向鉆孔負(fù)壓分布的影響因素分析

2.2.1 鉆孔直徑對孔內(nèi)負(fù)壓分布規(guī)律的影響

通過模擬軟件，對不同鉆孔直徑98 mm、120 mm、140 mm、180 mm、200 mm 下3 號和4 號煤層鉆孔內(nèi)負(fù)壓隨鉆孔深度的變化情況進(jìn)行模擬分析，可以得出：對同一個(gè)抽采鉆孔直徑，隨著鉆孔深度的延伸，孔內(nèi)抽采負(fù)壓逐漸減小，且服從負(fù)指數(shù)關(guān)系（見表2）。

表2 3 號和4 號煤層孔內(nèi)負(fù)壓分布隨鉆孔直徑變化情況表

（1）隨著鉆孔直徑的增加，孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸減小，3 號和4 號煤層百米負(fù)壓損失分別為0.04～1.20 kPa、0.012～0.645 kPa。

（2）鉆孔直徑越大，則孔底負(fù)壓越大，同時(shí)孔口負(fù)壓降低的速度也越慢。增大鉆孔直徑，意味著增大了瓦斯從煤層中流入鉆孔的面積，在一定程度上增加了鉆孔內(nèi)的瓦斯純量。因此適當(dāng)增大鉆孔直徑對減小孔內(nèi)負(fù)壓損失并提高瓦斯抽采效率有促進(jìn)作用。

根據(jù)以上分析，從提高瓦斯抽采效果的角度分析，鉆孔直徑應(yīng)是越大越好，但同時(shí)要考慮到施工情況：高家莊煤礦3 煤和4 煤的煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.5，比較松軟，在定向鉆孔施工過程中存在塌孔情況，影響鉆孔的成孔，且孔徑越大成孔越差。在保證孔底負(fù)壓不低于13 kPa 的情況下，考慮98 mm 鉆孔負(fù)壓損失6.45 kPa，孔口負(fù)壓不低于20 kPa 可滿足抽采要求，而榮欣公司高負(fù)壓系統(tǒng)抽采負(fù)壓可以達(dá)到40 kPa 以上，所以為兼顧成孔效果孔徑為98 mm 可滿足抽采要求。

2.2.2 鉆孔長度對孔內(nèi)負(fù)壓分布規(guī)律的影響

模擬得到不同鉆孔長度下3 號和4 號煤層鉆孔內(nèi)負(fù)壓隨鉆孔深度的變化情況，可以得出：在相同的抽采時(shí)間條件下，隨著鉆孔深度的延伸，孔內(nèi)抽采負(fù)壓逐漸減小，其關(guān)系見表3。

表3 3 號和4 號煤層孔內(nèi)負(fù)壓分布隨鉆孔長度變化情況表

（1）隨著鉆孔長度增加，孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸增大，減小幅度越來越大，3 號和4 號煤層百米負(fù)壓損失分別為0.045～1.017 kPa、0.025～0.639 kPa。

（2）根據(jù)以上分析，結(jié)合高家莊煤礦薄、軟煤層定向鉆孔施工困難的情況，確定3 號和4 號煤層定向抽采鉆孔合理施工長度為300～600 m。

2.3 定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，東翼大巷3 號和4 號煤層瓦斯治理中定向鉆孔直徑選擇為98 mm；定向鉆孔合理的施工長度為300～600 m。

3 定向鉆孔施工應(yīng)用情況

3.1 3 號煤層定向鉆孔

根據(jù)控制巷道方位和抽采半徑等參數(shù)，3 號煤層共布置9 個(gè)鉆孔，鉆場鉆孔布置圖及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1 和表4。

表4 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖1 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)圖（m）

3.2 4 號煤層定向鉆孔

東翼軌道大巷迎頭鉆場共布置4 個(gè)鉆孔，4 個(gè)鉆孔全部布置在鉆場迎頭，4 個(gè)鉆孔及其分支鉆孔控制東翼軌道大巷下鄰近層4 號煤層。鉆場鉆孔布置圖及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2 和表5。

圖2 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)圖（m）

表5 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 定向鉆孔抽采效果分析

為了進(jìn)一步分析定向鉆孔瓦斯抽采效果，以下分析了抽采負(fù)壓、抽采濃度、抽采純量和日累計(jì)純量隨抽采時(shí)間的變化。

如圖3、圖4 所示，隨著抽采負(fù)壓的增大，抽采純量和日累計(jì)純量也隨之增大，三者基本呈正比關(guān)系；且隨著抽采時(shí)間的增加，孔壁瓦斯涌出量趨于穩(wěn)定，抽采負(fù)壓雖有所損失，較抽采前期大幅下降，但抽采純量和日累計(jì)純量總體逐漸增加，抽采效果穩(wěn)定向好。通過現(xiàn)場應(yīng)用證明，孔徑98 mm 的鉆孔是完全能滿足定向長鉆孔區(qū)域預(yù)抽的要求的，3 號和4 號煤層的抽采效果得到了一定的保障，但仍有待進(jìn)一步提升。在下一步的瓦斯治理工作中，應(yīng)做好單孔計(jì)量工作，這樣有利于更好地分析孔口負(fù)壓、孔長、孔徑及抽采時(shí)間等參數(shù)對瓦斯抽采效果的影響。在X3 巷道掘進(jìn)中，工作面迎頭及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.06%～0.15%，抽采效果比較理想。

圖3 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)圖

圖4 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

（1）根據(jù)模擬和現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，確定在3 號和4 號煤層定向鉆孔施工過程中，選擇孔徑98 mm能夠滿足礦井抽采要求，但在煤層條件較好時(shí)應(yīng)擴(kuò)大孔徑；3 號和4 號煤層定向抽采鉆孔合理施工長度為300～600 m。

（2）隨著孔口負(fù)壓的增加，孔內(nèi)負(fù)壓損失基本無太大變化；隨著鉆孔直徑的增加，孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸減小；隨著鉆孔長度的增加，孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸增大，且減小幅度越來越大。在3 號和4 號煤層抽采過程中，應(yīng)保證孔口負(fù)壓不低于20 kPa。

（3）應(yīng)用定向鉆機(jī)施工定向長鉆孔預(yù)抽本煤層和鄰近層瓦斯，在工藝上可行，抽采效果理想，為下一步同類條件下瓦斯治理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。