高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在高山煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

摘 "要：為有效解決高山煤礦瓦斯超限問題，以50230工作面為研究對象，基于理論分析和計(jì)算確定高位鉆孔的設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測對比長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔2種技術(shù)的瓦斯抽采效果和工程效益。結(jié)果表明，定向高位鉆孔的單位抽采量相對于順層鉆孔更為顯著，實(shí)現(xiàn)1.3～2.1倍的提高，體現(xiàn)較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高位定向鉆孔；瓦斯抽采；鉆孔設(shè)計(jì)；高山煤礦；瓦斯治理

中圖分類號：TD712 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0189-04

Abstract： In order to effectively solve the problem of gas over-limit in alpine coal mine， taking 50230 working face as the research object， the design scheme of high-angle drilling is determined based on theoretical analysis and calculation. Through field measurement， the gas drainage effects and engineering benefits of long-distance directional high-angle drilling and directional bedding drilling are compared. The results show that the unit extraction capacity of directional high-angle drilling is more significant than that of bedding drilling， which increases by 1.3～2.1 times， reflects better social and economic benefits， and ensures the safe and efficient production of the mine.

Keywords： high-angle directional drilling; gas drainage; borehole design; alpine coal mine; gas control

煤礦瓦斯抽采作為關(guān)鍵的安全措施，在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位。其主要目的是通過有效降低工作面瓦斯?jié)舛?，從而預(yù)防瓦斯爆炸的發(fā)生。這項(xiàng)技術(shù)手段不僅關(guān)系到礦工的人身安全，更是整個煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的重要保障。與此同時，瓦斯作為一種清潔能源，高效抽采不僅可以減少對大氣環(huán)境的污染，還能將其轉(zhuǎn)化為可利用的資源，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。因此提升瓦斯抽采效率，不僅有助于煤礦減少環(huán)境負(fù)擔(dān)，還能夠在資源利用方面取得顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[1-3]。然而，目前礦井瓦斯抽采卻存在著一系列問題。特別是普通履帶鉆機(jī)無法按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，導(dǎo)致抽采過程中出現(xiàn)空白帶，進(jìn)而影響抽采效果。解決這一問題對于提升煤礦瓦斯抽采的整體效能至關(guān)重要[4-7]。因此，未來的研究和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)該著眼于克服這些技術(shù)難題，以確保煤礦瓦斯抽采能夠更加穩(wěn)定、高效地進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)的煤礦生產(chǎn)。通過長距離定向鉆孔技術(shù)，能夠有效地控制鉆孔軌跡，根據(jù)煤層的起伏情況隨時調(diào)整鉆孔的角度，從而確保在礦井開采過程中瓦斯治理的有效性[8-12]。以高山礦50230工作面為研究對象，采用高位定向鉆孔的方法來解決近距離煤層回采中可能出現(xiàn)的瓦斯問題，比較了長距離定向高位鉆孔與定向順層鉆孔工程量之間的關(guān)系，以比較2種瓦斯治理措施的效益和成本。期望能夠在煤礦開采中提高瓦斯治理的效能，同時在資源開采中降低潛在的瓦斯風(fēng)險，為礦工的安全提供可靠的保障。

1 "礦井概況

高山礦位于貴州省黔西市，井田面積為8.45 km2，煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量每年90萬t。主要有5#、7#、9#可采煤層，以50230工作面（7#煤層）為主要研究對象，平均厚度為5.5 m。礦井瓦斯情況較為復(fù)雜，絕對瓦斯涌出量為82.43 m3/min，而綜采工作面的瓦斯涌出量為44.27 m3/min。煤層特性較差等問題造成瓦斯抽采過程中面臨諸多問題。為了確保礦井回采的效率和安全性，采用定向鉆進(jìn)工藝在巷道打高位攔截鉆孔，解決煤層透氣性差的問題，提高瓦斯抽采效果，確保回采工作面上隅角瓦斯積聚不超標(biāo)準(zhǔn)上限。

1.1 "工作面地質(zhì)概況

高山礦井50230工作面長度為2 750 m，傾向長為200 m，正斷層走向?yàn)?10°，傾角50°，落差2～5 m，西至15060軌道巷。鄰近50233工作面位于礦井的東北部，東至井田邊界范圍為510～575 m，南部與50230工作面采空區(qū)相鄰，留8 m煤柱保護(hù)。50233工作面煤層較為穩(wěn)定，其厚度在4.6～5.6 m，膠帶運(yùn)輸順槽厚度大于軌道運(yùn)輸順槽，平均為4.6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸發(fā)育，穩(wěn)定可采，且50233周邊無其他采掘工作面，為工作面的安全穩(wěn)定提供了有利條件。

1.2 "煤層瓦斯賦存情況

在煤礦開采過程中，通過煤層瓦斯地質(zhì)圖分析可知，50230工作面主要開采的7#煤層瓦斯含量介于4.0～6.0 m3/t，壓力在0.3～0.4 MPa。在15060膠帶順槽掘進(jìn)期間，該工作面的絕對瓦斯涌出量達(dá)到2.7 m3/min，相對涌出量為0.68 m3/t。9號煤層埋深在560～627 m，最深部位于停采線位置，因此地應(yīng)力較高，透氣性較低。瓦斯含量在整個工作面整體上呈現(xiàn)變化較小的趨勢，但在局部區(qū)域卻存在較大的波動，埋深越大瓦斯含量相對升高。

2 "高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 "工作面覆巖“兩帶”高度確定

煤礦巖層自上而下分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。覆巖“兩帶”的高度受多個因素的綜合影響，其中包括覆巖性質(zhì)、采厚以及采礦方式等。計(jì)算高位鉆孔高度Hz時，需考慮采高、煤層傾角以及直接頂抗壓強(qiáng)度等條件。以50233工作面5#鉆場控制區(qū)域?yàn)槔?，采高?.5 m，煤層的平均傾角為12°，直接頂抗壓強(qiáng)度分布在20～40 MPa。為了更準(zhǔn)確地確定“兩帶”高度，可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算垮落帶高度Hm和裂隙帶高度Hc。這些計(jì)算不僅有助于評估覆巖的穩(wěn)定性，還為采煤工作面的設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)依據(jù)，具體為

式中：M為累計(jì)采高，m；f為煤分層數(shù)。

經(jīng)過式（1）和式（2）計(jì)算得出，高山煤礦工作面鉆孔控制區(qū)域冒落帶高度為10.5～14 m；裂隙帶高度為45.6～55.8 m。

2.2 "長距離高位定向鉆孔橫向間距設(shè)計(jì)

在采空區(qū)瓦斯治理方面，本研究采用“O型圈”流動理論，該理論認(rèn)為裂隙從煤層中部向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，最終形成離層裂隙發(fā)育帶。為了有效應(yīng)對瓦斯問題，通過布置定向長鉆孔來降低煤工作面瓦斯?jié)舛取Ｔ诹严栋l(fā)育區(qū)域，如圖1所示，設(shè)計(jì)長距離高位定向鉆孔，以達(dá)到優(yōu)化瓦斯治理效果的目的。遵循高度方向按裂隙帶發(fā)育范圍設(shè)計(jì)參數(shù)的原則，根據(jù)采礦地質(zhì)條件在水平方向上進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)50230工作面的地質(zhì)條件，在距離巷幫10～30 m布置了高位定向鉆孔，其中冒落帶的高度為10.5～14 m，而裂隙帶的高度則在45.6～55.8 m。在50233工作面的7#煤層鉆場設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了6個高位定向長鉆孔。為了確保鉆孔的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯治理的目標(biāo)，制定了詳細(xì)的鉆場控制區(qū)域設(shè)計(jì)方案，具體見表1。

2.3 "實(shí)際施工情況

2022年9月5日—12月10日期間，50230工作面風(fēng)巷距離切眼1 000 m處7# 煤層進(jìn)行了高位定向鉆孔的工程性施工，共計(jì)施工6個頂板定向長鉆孔，合計(jì)進(jìn)尺3 894 m，下篩管總長度2 964 m，鉆孔施工參數(shù)見表2，施工剖面如圖2所示。

3 "效益對比分析

3.1 "鉆孔瓦斯?jié)舛取⒊椴闪繉Ρ确治?/p>

在2022年9月5日—12月10日期間，50230工作面7#煤層進(jìn)行了長鉆孔作業(yè)。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到150 m時，卸壓孔段低導(dǎo)致鉆孔有效控制范圍受限，同時瓦斯上升趨勢顯著。隨著鉆孔深度的增加至270 m，盡管有效控制范圍有所增加，瓦斯?jié)舛炔]有明顯增高，但仍保持相對較高水平。達(dá)到360 m深度時，鉆場抽采純量顯著下降，但瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。這一過程表明在鉆孔深度不同階段，鉆場的瓦斯動態(tài)經(jīng)歷了明顯的變化。值得注意的是，當(dāng)工作面進(jìn)入1#、3#鉆孔影響范圍時，發(fā)現(xiàn)攔截鉆孔抽出高濃度瓦斯的情況，導(dǎo)致抽采濃度顯著降低。這意味著在施工位置鉆孔的瓦斯釋放特性可能受到其他因素的影響，使得抽采過程中的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常的波動。

在50230工作面的瓦斯抽采試驗(yàn)中，觀察到定向高位鉆孔和順層鉆孔之間存在顯著的濃度差異（圖3）。具體而言，定向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度范圍為44.8%～79.2%，抽采效果明顯優(yōu)于順層鉆孔的瓦斯抽采效果。而且相比較于單孔瓦斯抽采量，定向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度約為順層鉆孔的1.3～2.1倍。對平均單孔混合量的觀察顯示，高位鉆孔的混合量約為7.4 m3/min，而順層鉆孔僅為1.62 m3/min，呈現(xiàn)明顯的差距。值得注意的是，在低透氣性煤層中，定向高位鉆孔在裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于順層鉆孔。經(jīng)過定向高位鉆孔連續(xù)抽采后，50230工作面未出現(xiàn)瓦斯超限問題，因此取消了上隅角埋管抽采防治瓦斯措施。綜合考慮以上觀察結(jié)果，得出結(jié)論：在50230工作面采用定向高位鉆孔能夠有效改善瓦斯抽采效果，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)支持。

3.2 "施工難度對比分析

在50230工作面的定向鉆孔中共打6個鉆孔，其中2#和4#位于上層，與7#煤層頂板的距離為24～27 m。然而在鉆孔過程中，2#和4#孔在穿越灰?guī)r時出現(xiàn)了速度緩慢的問題，伴隨憋泵、卡鉆和返渣不暢的困擾。與此同時，鉆孔的層位存在差異，1#、3#和5#孔位于下層，與7#煤層頂板的距離為17～18 m。在50230軌道順槽施工中，面臨了2個主要問題。首先，前50 m的施工破壞了煤層的完整性，導(dǎo)致了內(nèi)壓的增大。其次，在局部地點(diǎn)發(fā)生了塌孔現(xiàn)象，由于15#號煤層的堅(jiān)固性較低，造成了易塌孔的情況。在鉆孔施工的過程中，出現(xiàn)了響煤炮的現(xiàn)象，不過隨著施工的進(jìn)行，這一現(xiàn)象在施工50 m后逐漸減少。總體來看，高位定向鉆孔具有更高優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在施工過程相對順利，施工周期較短，且在瓦斯治理方面表現(xiàn)出高效率。然而，在施工中仍需解決鉆孔速度慢、層位差異、施工破壞煤層和塌孔等問題，以進(jìn)一步提升施工質(zhì)量和效率。

4 "結(jié)論

在煤礦開采中工作面巖垮落帶和裂隙帶特征對于瓦斯治理具有重要的影響。高山煤礦工作面巖垮落帶的高度介于10.5～14 m，而裂隙帶的高度則在45.6～55.8 m。經(jīng)過不同工作面進(jìn)行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定向高位鉆孔的單位抽采量相對于順層鉆孔更為顯著，達(dá)到了1.3～2.1倍的提高，從而有效提升了瓦斯抽采效率。這一創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用不僅在經(jīng)濟(jì)層面上表現(xiàn)出成本的降低，而且在瓦斯治理效果上取得了顯著的提升，優(yōu)于傳統(tǒng)的順層鉆孔方法。該技術(shù)有效地解決了工作面上隅角瓦斯治理的難題，為煤礦高效開采提供了可行的、高效的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙晶，皮希宇，王栓林，等.高瓦斯薄煤層采煤工作面高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（11）：78-82.

[2] 施式亮，伍愛友，李潤求，等.回采工作面高位鉆孔抽采瓦斯效果數(shù)值模擬及方案優(yōu)化[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（7）：71-76.

[3] 袁保發(fā)，陳永濤.高位抽放鉆孔在保德煤礦81502工作面的應(yīng)用[J].煤炭工程，2017，49（8）：65-68.

[4] 童碧.復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔全程下篩管技術(shù)實(shí)踐[J].煤礦安全，2021，52（9）：85-89.

[5] 楊明，閆潮，劉亞軍.斜交高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（7）：117-122.

[6] 吳澤平，劉軍，張露偉，等.定向長鉆孔孔內(nèi)壓力分布規(guī)律及影響機(jī)制研究[J].煤礦安全，2023，54（11）：1-8.

[7] 景長寶，張寶第，褚志偉，等.復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)[J].煤礦安全，2023，54（10）：201-205.

[8] 王耀鋒，聶榮山.基于采動裂隙演化特征的高位鉆孔優(yōu)化研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（6）：86-91.

[9] 李文，王廣宏，歐聰，等.不同布孔方式下梳狀定向長鉆孔水力壓裂數(shù)值模擬及工程應(yīng)用[J].煤礦安全，2021，52（5）：72-77.

[10] 李建軍，劉文崗，杜君武，等.定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)在布爾臺煤礦的應(yīng)用[J].煤礦安全，2022，53（4）：94-102.

[11] 李炎濤．鄰近層瓦斯高低位鉆孔和迎向鉆孔抽采效果分析[J]．煤，2021，30（2）：23－27．

[12] 魯義，申宏敏，秦波濤，等.順層鉆孔瓦斯抽采半徑及布孔間距研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報，2015，32（1）：156－162．