大直徑多分支長距離高位鉆孔抽采技術(shù)研究

張軍義 王露

（1.河南能源集團(tuán)鶴壁煤電股份有限公司，河南 鶴壁 458000）（2.河南能源集團(tuán)鶴壁中泰礦業(yè)有限公司，河南 鶴壁 458020）

隨著煤礦逐漸向深部開采，煤層的瓦斯含量和壓力也逐漸增大，瓦斯治理難度隨之增加，因而瓦斯事故時(shí)有發(fā)生。高突礦井在開采過程中，雖然利用底板抽采巷施工穿層鉆孔和本煤層抽采鉆孔提前預(yù)抽煤層瓦斯取得了一定的效果，但是在煤層受到采動(dòng)影響后，綜放工作面采空區(qū)瓦斯治理不到位，出現(xiàn)回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷的瓦斯超限現(xiàn)象，因此對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采開展技術(shù)研究有利于從源頭上治理上隅角局部瓦斯超限的難題。

1 概況

中泰礦業(yè)有限公司屬煤與瓦斯突出礦井，開采的二1 煤層最大瓦斯含量19.58 m3/t，最大瓦斯壓力2.11 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.021 3～0.181 9 m2/MPa2·d。該項(xiàng)目在33072 工作面實(shí)施，以大直徑高位裂隙鉆孔治理采空區(qū)瓦斯的工程背景為研究對(duì)象，提出使用定向長鉆孔替代高位裂隙鉆孔的瓦斯抽采技術(shù)。通過對(duì)現(xiàn)場資料收集和調(diào)研，確定了頂板定向長鉆孔治理采空區(qū)瓦斯的布孔方法，研究了定向長鉆孔的最佳抽采負(fù)壓和布置層位，確定頂板定向長鉆孔的最佳布置參數(shù)。

2 施工技術(shù)方案

2.1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)

鉆孔采用兩開式孔身結(jié)構(gòu)，下一層套管，主要目的為穩(wěn)定孔口地層，方便鉆孔瓦斯抽采。

2.2 鉆場設(shè)計(jì)

在33072 工作面上順槽內(nèi)側(cè)布置耳朵鉆場，鉆場位于上順槽巷道口。鉆場尺寸10 m×5 m×3 m(長寬高)，在鉆場外面施工一個(gè)長1.5 m、寬1 m、深1.5 m 沉淀池。根據(jù)現(xiàn)場的考察及實(shí)際需要，在33072工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)4 個(gè)主孔和4 個(gè)長分支孔，主孔孔徑為153 mm，分支孔孔徑為96 mm。

2.3 鉆孔及軌跡設(shè)計(jì)

本次工程設(shè)計(jì)施工4 個(gè)主孔，4 個(gè)長分支孔，主孔孔徑為153 mm，主孔深度為430 m，主孔累計(jì)總進(jìn)尺約1720 m；分支孔孔徑為98 mm，分支孔深度360～400 m，分支孔累計(jì)總進(jìn)尺約為1520 m。根據(jù)冒裂帶高度及鉆孔抽采實(shí)踐研究，結(jié)合采煤工作面巷道布置條件，鉆孔水平方向距33072 工作面回風(fēng)巷巷幫2～37 m，垂直方向距二1煤層頂板10～30 m。鉆孔布置參數(shù)見表1。

鉆孔施工位置為33072 工作面回風(fēng)巷，具體參數(shù)如下。

（1）1#鉆孔傾角7°，鉆孔水平段距離33072回風(fēng)巷2 m，距離二1 上煤頂板高度15 m，主孔深度430 m。

（2）1-1#分支孔傾角7°，鉆孔水平段距離33072 回風(fēng)巷7 m，距離二1 上煤頂板高度15 m，主孔深度400 m。

（3）2#鉆孔傾角8°，鉆孔水平段距離33072回風(fēng)巷12 m，距離二1 上煤頂板高度20 m，主孔深度430 m。

（4）2-1#分支孔傾角8°，鉆孔水平段距離33072 回風(fēng)巷17 m，距離二1 上煤頂板高度20 m，主孔深度390 m。

（5）3#鉆孔傾角8.5°，鉆孔水平段距離33072 回風(fēng)巷22 m，距離二1 上煤頂板高度25 m，主孔深度430 m。

（6）3-1#分支孔傾角8.5°，鉆孔水平段距離33072 回風(fēng)巷27 m，距離二1 上煤頂板高度25 m，主孔深度370 m。

（7）4#鉆孔傾角9°，鉆孔水平段距離33072回風(fēng)巷32 m，距離二1 上煤頂板高度30 m，主孔深度430 m。

（8）4-1#分支孔傾角9°，鉆孔水平段距離33072 回風(fēng)巷37 m，距離二1 上煤頂板高度30 m，主孔深度360 m。

3 施工情況及效果分析

3.1 施工情況

該工程于2019 年4 月20 日開始施工，截至2019年6月24日施工結(jié)束，施工鉆孔有1#、1-1#分支、2#、2-1#分支、3#、4#、4-1#分支，孔徑153 mm，累計(jì)進(jìn)尺3183 m（定向施工2484 m，擴(kuò)孔699 m），具體情況如下。

1#主孔：4 月19 日四點(diǎn)班開始定向鉆進(jìn)，4 月29 日八點(diǎn)班鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深432 m，退鉆驗(yàn)收。

1-1#分支孔：4 月29 日四點(diǎn)班在1#主孔66 m處開分支施工1-1#分支，5 月5 日四點(diǎn)班正常鉆進(jìn)至423 m 處遇見堅(jiān)硬的巖石無法正常鉆進(jìn)，退鉆驗(yàn)收。1-1#分支始孔深度66 m，終孔深度423 m，累計(jì)進(jìn)尺357 m。

1#主孔（擴(kuò)孔）：5 月6 日零點(diǎn)班開始用直徑為153 mm 鉆頭擴(kuò)孔，5 月10 日四點(diǎn)班擴(kuò)孔至426 m，終孔退鉆驗(yàn)收，1 主孔擴(kuò)孔深度426 m。

2-1#分支孔：5 月11 日八點(diǎn)班開始定向鉆進(jìn)，5 月20 日四點(diǎn)班鉆進(jìn)至387 m 處遇見堅(jiān)硬的巖石無法鉆進(jìn)，退鉆驗(yàn)收，降低層位施工2#分支，終孔深度387 m。

2#主孔：5 月20 日四點(diǎn)班開始定向鉆進(jìn)，5 月26 日八點(diǎn)班正常鉆進(jìn)至429 m 處，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)不返水現(xiàn)象，退鉆驗(yàn)收。2#主孔深度429 m。

2#主孔（擴(kuò)孔）：5 月27 日零點(diǎn)班開始用直徑為153 mm 鉆頭擴(kuò)孔，5 月29 日零點(diǎn)班擴(kuò)孔至271 m 處，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)不返水現(xiàn)象，退鉆驗(yàn)收，2#主孔擴(kuò)孔深度271 m。

3#主孔：6 月1 日八點(diǎn)班開始定向鉆進(jìn)，6 月7日四點(diǎn)班鉆進(jìn)至315 m 出現(xiàn)了嚴(yán)重的塌孔，退鉆驗(yàn)收。3#主孔深度315 m。

4#主孔：6 月8 日八點(diǎn)班開始定向鉆進(jìn)，6 月20 日四點(diǎn)班鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深372 m，退鉆驗(yàn)收，施工4-1#分支孔，4#主孔深度372 m。

定向鉆孔實(shí)測平面圖、剖面圖如圖1、圖2。

圖1 33072 工作面定向長鉆孔實(shí)測剖面圖

圖2 33072 工作面定向鉆孔實(shí)測平面圖

3.2 效果分析

3.2.1 定向長鉆孔抽采效果分析

（1）濃度變化分析

自定向鉆孔施工帶抽后，鉆場及單孔濃度隨工作面推進(jìn)變化見表2。

表2 鉆場及單孔濃度隨工作面推進(jìn)變化表

①自定向鉆孔帶抽后，單孔濃度隨工作面回采，其最大值9%，最小值2%，帶抽至6 個(gè)月后，鉆孔濃度最大值21%，最小值10%。單孔濃度隨工作面切眼推進(jìn)整體呈逐漸增大趨勢，其中1 號(hào)鉆孔濃度增幅400%，2 號(hào)鉆孔濃度增幅225%，3 號(hào)鉆孔濃度增幅250%，4 號(hào)鉆孔濃度增幅133%。

②根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，自定向鉆孔帶抽后，鉆場帶抽濃度隨工作面回采，從開始回采25 m 時(shí)，定向長鉆孔開始起作用，濃度達(dá)到4%，隨著工作面推進(jìn)，整體呈逐漸增大趨勢，鉆場濃度從4%上升至14%并且持續(xù)穩(wěn)定，鉆場濃度增幅250%。

③自定向鉆孔帶抽后，隨著工作面推進(jìn)，上隅角平均瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.33%，最小為0.28%，未出現(xiàn)過上隅角瓦斯?jié)舛瘸^0.5%的現(xiàn)象。

（2）抽采量變化分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,用(±s)表示計(jì)量資料,行t檢驗(yàn),用%表示計(jì)數(shù)資料,行卡方檢驗(yàn),p<0.05,差異比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

自定向鉆孔帶抽后，鉆場抽采瓦斯純量見表3。

表3 鉆場抽采純量隨抽采時(shí)間變化

自定向鉆場帶抽后，平均抽采純量在3.6 m3/min，鉆場抽采純量隨帶抽時(shí)間的增加呈逐漸增加趨勢，在帶抽3 個(gè)月后抽采純量穩(wěn)定在4.2 m3/min。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)和安全效益分析

（1）施工定向長鉆孔只需施工一個(gè)鉆場，但是如采取高位頂板裂隙鉆場方案，則需施工6 個(gè)鉆場，巷道平均長度35 m 左右，約210 m，每個(gè)鉆場施工18 個(gè)孔，共108 個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺12 960 m，可節(jié)約鉆場工程、鉆孔工程和人工投入，節(jié)約資金346.72 萬元。

（2）通過在33072 上順槽施工頂板高位定向鉆孔，節(jié)約了鉆孔施工時(shí)間，緩解了生產(chǎn)接替緊張局面，治理了33072 工作面上隅角瓦斯，每月提高產(chǎn)量2.2 萬t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

4 結(jié)論

33072 工作面頂板高位定向鉆孔成孔工程項(xiàng)目在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了施工，鉆孔軌跡符合設(shè)計(jì)要求，通過實(shí)施情況來看，可得出以下結(jié)論：

（1）定向鉆機(jī)性能穩(wěn)定，鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡相吻合，能夠滿足設(shè)計(jì)和瓦斯治理需求；

（2）通過定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)分析，確定了回采過程中所形成的頂板裂隙帶位于煤層頂板垂直方向20～30 m 左右，采空區(qū)抽采效果提升5 倍以上。

（3）千米鉆機(jī)定向鉆孔大直徑多分支長距離高位裂隙抽采技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)約了鉆孔施工時(shí)間，緩解了生產(chǎn)接替緊張局面，形成了一套適用的頂板裂隙高位定向長鉆孔安全高效抽采技術(shù)，創(chuàng)新了采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)，對(duì)類似條件礦井采空區(qū)瓦斯治理具有較好的借鑒和指導(dǎo)意義。