長(zhǎng)平礦大功率定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)實(shí)踐

吳晉軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部通風(fēng)部，山西 晉城 048006）

煤層松軟破碎會(huì)給瓦斯抽采帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，由于煤層的堅(jiān)固性系數(shù)小、易碎等特征，煤層吸附瓦斯的能力大，瓦斯在煤層中流動(dòng)變得困難，煤層的塑性增加導(dǎo)致在煤層中鉆孔很難成孔，多重負(fù)效應(yīng)疊加造成賦存此類煤層的礦井瓦斯等級(jí)多為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，其瓦斯治理的工程量大且抽采效率低，防治煤與瓦斯突出的難度極具挑戰(zhàn)性[1-4]。

為有效解決松軟低透煤層的瓦斯抽采問(wèn)題，較多礦井不得不放棄在煤層中施工鉆孔的常規(guī)技術(shù)方法，采用資金投入量大、經(jīng)濟(jì)效益低且工程量巨大的頂?shù)装鍘r石巷道工程，采用穿層鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行預(yù)抽采[5-7]。 文崇[8]通過(guò)穿層定向長(zhǎng)鉆孔解決下鄰近層的瓦斯涌出問(wèn)題，在馬蘭礦的底抽巷施工了孔長(zhǎng)達(dá)到610 m 長(zhǎng)的定向長(zhǎng)鉆孔，有效解決了掘進(jìn)面的瓦斯問(wèn)題。陳強(qiáng)[9]針對(duì)回采工作面的瓦斯問(wèn)題，提出了施工100 m 以上的定向高位鉆孔，研究了高位鉆孔的布孔參數(shù)等問(wèn)題，解決工作面回采期間的瓦斯問(wèn)題。 康奇岳[10]、孟祥輝[11-12]等針對(duì)定向鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率高效鉆進(jìn)問(wèn)題，對(duì)鉆機(jī)的裝置進(jìn)行了攻關(guān)研究，研制了適應(yīng)松軟煤層的大功率鉆機(jī)。較多學(xué)者[13-15]分析了順層鉆孔在松軟破碎煤層中塌孔的機(jī)理和防塌孔的護(hù)孔技術(shù)，研究了透氣性低條件下采用增透技術(shù)提高瓦斯抽采效果的技術(shù)方法。 但針對(duì)松軟低透煤層，采用普通的定向鉆機(jī)無(wú)法施工長(zhǎng)鉆孔，普通鉆機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)短距離的鉆孔覆蓋，但存在無(wú)法測(cè)量鉆孔軌跡的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致瓦斯抽采空白區(qū)等嚴(yán)重問(wèn)題，給后續(xù)的采煤作業(yè)帶來(lái)巨大安全隱患。 為此，本文以長(zhǎng)平礦松軟低透煤層的瓦斯治理為例，提出了采用大功率定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行超前預(yù)抽采的技術(shù)思路，以實(shí)現(xiàn)逐步取代底抽巖巷穿層鉆孔抽采瓦斯的目的。

1 礦井瓦斯治理模式

1.1 煤層特征

長(zhǎng)平礦證載生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a，為高瓦斯礦井。 礦井煤層埋深較大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦井井田范圍內(nèi)大小斷層達(dá)到800 個(gè)以上，陷落柱達(dá)到1 200 個(gè)左右。受煤層埋深及地質(zhì)構(gòu)造等賦存環(huán)境的影響，煤層呈“三高”、“三多”、“三軟”、“一低”特征，即高瓦斯含量、高瓦斯壓力、高地應(yīng)力；斷層多、陷落柱多、含水層多；煤層軟、頂板軟、底板軟；透氣性低。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，3 號(hào)煤層平衡水分條件下的Langmuir 體積19.80～30.17 m3/t，平均25.74 m3/t，空氣干燥基Langmuir 體積為27.12～35.34 m3/t，平均32.17 m3/t，Langmuir 壓力為1.53～2.63 MPa，平均1.81 MPa。 現(xiàn)采掘區(qū)域的3 號(hào)煤層最大埋深超過(guò)800 m，煤層原始瓦斯含量最高達(dá)22.8 m3/t。鏡質(zhì)組最大反射率在2.45%～3.04%之間，平均為2.77%，屬于高階煤范疇。煤層在多期構(gòu)造疊加應(yīng)力的破壞下，原生結(jié)構(gòu)煤演變?yōu)槔馑槊汉兔永饷?，煤體剪切變形強(qiáng)烈，煤體以破裂結(jié)構(gòu)為主。

1.2 礦井瓦斯治理模式

長(zhǎng)平礦采用地面井抽采為主、 井下瓦斯治理補(bǔ)充的綜合治理模式。 針對(duì)瓦斯含量較高的西部區(qū)域采用地面井先行預(yù)抽，聯(lián)合井下瓦斯抽采；針對(duì)瓦斯含量較低的東部區(qū)域以井下抽采為主。 井下回采面采用本煤層順層鉆孔+ 底抽巷穿層鉆孔+ 千米鉆機(jī)定向高位鉆孔+ 普通鉆機(jī)中高位鉆孔聯(lián)合治理方案，即采用順槽底板穿層鉆孔預(yù)抽條帶煤巷瓦斯，工作面中部底板巖巷預(yù)抽工作面中部120～140 m 范圍內(nèi)的瓦斯，并在兩側(cè)順槽布置順層鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯，采用中高位鉆孔及頂板走向長(zhǎng)鉆孔配合插管抽采采空區(qū)瓦斯。 工作面根據(jù)煤層瓦斯含量情況分別采用“一面三巷（1 巖2 煤）”或“一面四巷（2 巖2 煤）”布置，巖巷分別為順槽底抽巷和中部底抽巷。4306 綜采面采用“一面四巷（2 巖2 煤）”布置，如圖1 所示。

圖1 長(zhǎng)平礦高瓦斯區(qū)域“一面四巷”瓦斯治理方式匯總

2 礦井現(xiàn)瓦斯治理措施存在的問(wèn)題

雖然成熟的瓦斯治理模式可大幅度降低瓦斯工程量，但由于煤質(zhì)疏松破碎，鉆孔的覆蓋范圍極其有限，鉆孔塌孔導(dǎo)致成孔效果差，嚴(yán)重制約了礦井的抽掘采平衡，主要問(wèn)題體現(xiàn)在：

1）鉆孔工程量大。 由于采用底抽巖巷及穿層鉆孔、順層短鉆孔掩護(hù)抽采的瓦斯治理方式，工程量巨大。 依據(jù)2020年的瓦斯抽采進(jìn)尺和抽采量統(tǒng)計(jì)記錄，礦井施工的總進(jìn)尺數(shù)達(dá)到180 萬(wàn)m，年抽采瓦斯純量?jī)H為5 000 萬(wàn)m3，每米鉆孔的抽采量?jī)H為0.000 053 m3/min，遠(yuǎn)低于《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》中要求的0.1 m3/min 標(biāo)準(zhǔn)值。

2）工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)。 長(zhǎng)平礦順層鉆孔百米流量平均為0.006 8 m3/min，抽采效果差，抽采1年降低瓦斯含量約3 m3/t，穿層鉆孔較好，穿層鉆孔百米流量平均為0.025 m3/min，抽采1年降低瓦斯含量約8 m3/t，順層鉆孔和穿層鉆孔抽采不均衡（抽采效率1:2.7），順層預(yù)抽制約達(dá)標(biāo)，同時(shí)，順槽掘進(jìn)受底抽巷條帶預(yù)抽制約，工作面順層鉆孔施工滯后較長(zhǎng)。

3）鉆孔抽采效果差。①順層鉆孔抽采方面，鉆機(jī)鉆進(jìn)能力達(dá)到100～150 m，但塌孔嚴(yán)重；鉆進(jìn)軌跡偏移距離大，見(jiàn)矸不合格率達(dá)50%以上；未采用隨鉆下篩管技術(shù)，下篩管深度不足80 m；順層鉆孔抽采濃度為18%～23%。 ②穿層鉆孔抽采方面，雖然穿層鉆孔預(yù)抽效果較順層鉆孔好，但抽采時(shí)間依然較長(zhǎng)，無(wú)法滿足當(dāng)前抽采銜接需要。③普通鉆孔瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓容^大，分析其原因主要有兩個(gè)。 第一個(gè)原因是由于鉆孔施工長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)深度要求，第二個(gè)原因是鉆孔下入護(hù)孔篩管的長(zhǎng)度不同導(dǎo)致瓦斯抽采的流動(dòng)性差異所致。

為解決上述瓦斯抽采難題，長(zhǎng)平礦決定采用大功率定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)。

3 大功率定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽

3.1 鉆機(jī)性能參數(shù)

長(zhǎng)平礦在原有MK、ZDY 及YHD 等鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了適用于松軟破碎煤層的超長(zhǎng)距離定向鉆孔施工的ZYL-17000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)，該鉆機(jī)具備大能力回轉(zhuǎn)器、大開(kāi)口夾持器、超強(qiáng)動(dòng)力與液壓系統(tǒng)等特性，并采用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)。 該鉆機(jī)的性能與普通定向鉆機(jī)的參數(shù)對(duì)比，如表1 所示。

ZYL-17000D 型鉆機(jī)額定扭矩達(dá)到6 000 N·m，是目前扭矩最大的鉆機(jī)之一，鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓泥漿泵驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，通過(guò)隨鉆測(cè)量裝置反饋鉆孔軌跡，鉆孔軌跡實(shí)時(shí)顯示于防爆計(jì)算機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)鉆孔軌跡在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到定向鉆進(jìn)的目的。

3.2 鉆孔施工

長(zhǎng)平礦六盤(pán)區(qū)排矸巷施工穿層定向長(zhǎng)鉆孔，掩護(hù)6302 首采面的順槽。 鉆孔施工：2021年6月21日～2021年7月13日，共計(jì)23 天，施工進(jìn)尺1 168 m，最大孔深400 m。 定向鉆孔施工后的鉆孔軌跡，如圖2 所示。 水力沖孔：2021年7月22日～2021年8月18日，共計(jì)27 天，沖孔長(zhǎng)度310 m，總返煤量186.04 m3，折算沖孔煤段孔徑約為0.88 m2（較原孔孔徑增大8 倍）。 下篩管：鉆桿內(nèi)下篩管，2021年8月20日～8月21日，共計(jì)2天，護(hù)孔長(zhǎng)度400 m。 采用無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)和三棱螺旋槽鉆桿實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離鉆進(jìn)，BQWL200/31.5 型清水泵實(shí)現(xiàn)沖孔，φ40 mm 花管400 m 和φ50 mm花管100 m 實(shí)現(xiàn)護(hù)孔。

3.3 抽采效果

為了對(duì)比普通鉆孔和定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果差異，特選取長(zhǎng)平礦六盤(pán)區(qū)排矸巷為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，分別施工了6 個(gè)定向鉆孔和6 個(gè)普通鉆孔，考察時(shí)間為100 d，數(shù)據(jù)來(lái)自風(fēng)巷巷口抽采管路安設(shè)的瓦斯抽采監(jiān)控傳感器。 普通鉆孔與定向鉆孔的瓦斯抽采曲線，如圖3 所示。

圖3 普通鉆孔和定向鉆孔的抽采效果對(duì)比

從連續(xù)觀測(cè)的瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓梢钥闯?，鉆孔瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓椒€(wěn)，定向鉆孔的濃度保持在80%左右，瓦斯抽采純量保持在24 m3/min。 普通鉆孔瓦斯流量波動(dòng)較大，多處于40%上下，鉆孔瓦斯流量保持在16 m3/min。 兩種鉆孔統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的瓦斯流量，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 定向鉆孔與普通鉆孔的抽采量對(duì)比

從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，定向鉆孔在相同的抽采時(shí)間，抽采效率明顯高于普通順層鉆孔，以抽采第90 d 為例，定向鉆孔累計(jì)抽采純瓦斯量達(dá)145.36 萬(wàn)m3，遠(yuǎn)高于普通鉆孔的75.64 萬(wàn)m3。 同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，定向鉆孔在相同抽采時(shí)間，鉆孔的瓦斯流量仍涌出較大，而普通鉆孔的抽采量增長(zhǎng)極為有限，這可能是普通鉆孔與煤層的溝通裂隙通道受限所致。

4 結(jié)論

1）ZYL-17000D 型定向鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位鉆孔軌跡特性，避免抽采盲區(qū)出現(xiàn)的同時(shí)，具備施工超長(zhǎng)鉆孔的能力，為區(qū)域遞進(jìn)式抽采提供了技術(shù)保障。 通過(guò)普通鉆機(jī)鉆孔和定向鉆孔的抽采效果對(duì)比，定向長(zhǎng)鉆孔在施工工期、抽采效果上均明顯高于普通鉆孔。

2）通過(guò)定向鉆孔與普通鉆孔的抽采效果對(duì)比，定向鉆孔在相同的抽采時(shí)間，抽采效率明顯高于普通順層鉆孔，在相同抽采時(shí)間，定向鉆孔的瓦斯流量仍涌出較大，而普通鉆孔的抽采量增長(zhǎng)極為有限，這可能是普通鉆孔與煤層的溝通裂隙通道受限所致。