劉彥鵬

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)， 山西 長治 046100）

引言

余吾煤業(yè)回采3號煤層，該煤層埋深約為500m，測定瓦斯含量為8.4～8.63 m3/t，屬于高瓦斯礦井。為了在掘進(jìn)和回采前通過鉆孔預(yù)抽解決煤層瓦斯突出和超限問題，2012年該礦從國外進(jìn)口VLD-1000型千米鉆機(jī)，但實(shí)際工程應(yīng)用沒有達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)驗(yàn)測定3號煤層的堅(jiān)固性系數(shù)為0.44～0.53，透氣性系數(shù)為0.524～1.742 m2/（MPa2·d），被劃分為松軟低透氣煤層。在煤層巷道掘進(jìn)前，設(shè)計(jì)使用千米鉆機(jī)施工長距離本煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽和卸壓，但受煤層自身賦存條件及強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)影響，加之鉆孔布置不合理，本煤層長距離鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)塌孔和卡鉆等不利情況，從而導(dǎo)致預(yù)抽鉆孔成孔率低，施工困難，并不能滿足采掘進(jìn)度要求[1]。因此，急需針對余吾煤業(yè)的生產(chǎn)地質(zhì)條件進(jìn)行掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置。

1 千米鉆機(jī)抽采鉆孔現(xiàn)狀

余吾煤業(yè)在引進(jìn)千米鉆機(jī)之前并未進(jìn)行過本煤層長距離抽采鉆孔施工，引進(jìn)國外千米鉆機(jī)首先分別在S2206工作面回風(fēng)巷道、S1206工作面進(jìn)風(fēng)巷道和S2107工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行了試機(jī)施工。經(jīng)廠家技術(shù)指導(dǎo)和現(xiàn)場實(shí)際施工，S1206工作面進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的鉆孔為630 m時(shí)無法繼續(xù)鉆進(jìn)，停止施工；S2206工作面回風(fēng)巷道和S2107工作面回風(fēng)巷道內(nèi)的鉆孔最大深度僅為100～300 m，導(dǎo)致鉆機(jī)無法繼續(xù)鉆進(jìn)的主要故障是塌孔或抱鉆[2]。

上述三條巷道內(nèi)煤體的平均堅(jiān)固性系數(shù)為0.53（見表1），且差別不大。工程條件相近的臨近礦井寺河礦和大寧礦千米鉆機(jī)本煤層長距離鉆孔施工都比較成功，分析原因發(fā)現(xiàn)余吾煤業(yè)3號煤層的堅(jiān)固性系數(shù)遠(yuǎn)小于這兩個(gè)礦井，導(dǎo)致千米鉆機(jī)施工困難的主要原因是煤體硬度較小，穩(wěn)定性差[3]。

表1 煤層堅(jiān)固性系數(shù)及瓦斯壓力實(shí)測數(shù)據(jù)

余吾煤業(yè)千米鉆機(jī)成孔率如圖1所示，通過綜合分析可知，3號煤層千米鉆機(jī)長距離鉆孔的成孔率普遍偏低，平均孔深為300 m；高抽巷煤巖孔的成孔率為87.5%，最大孔深為459 m。3號煤層千米鉆孔因頂鉆、卡鉆、塌孔等事故而使得成孔率低，且孔內(nèi)瓦斯涌出量較大；高抽巷煤巖長距離鉆孔成孔率較高，成孔容易，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但高抽巷內(nèi)施工的鉆孔向下傾斜一定角度，不利于排渣、排水。

圖1 余吾煤業(yè)千米鉆機(jī)成孔率

2 煤體鉆孔塌孔機(jī)理及千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置原則

2.1 煤層鉆孔塌孔原因分析

通過分析余吾煤業(yè)3號煤層的賦存地質(zhì)特征、物理性質(zhì)及施工技術(shù)條件可知，導(dǎo)致煤層鉆孔塌孔的主要原因?yàn)椋?/p>

1）內(nèi)在因素：3號煤層的自身力學(xué)性質(zhì)差，即黏聚力和內(nèi)摩擦角較小，抗軟化能力弱，受鉆頭鉆進(jìn)擾動(dòng)影響，孔壁煤體易破碎堵孔或卡鉆，鉆孔長度較短，成孔率低。

2）外在因素：第一，鉆孔形成后，鉆孔周圍煤體內(nèi)的瓦斯解吸擴(kuò)散滲流并進(jìn)入鉆孔，鉆孔周圍孔隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)大，煤粒之間的摩擦系數(shù)降低，煤體強(qiáng)度減弱[4]。第二，為降低工作場所的粉塵，在煤體內(nèi)鉆孔必須采用濕鉆工藝，即鉆頭處噴水。從鉆頭噴出的水流對孔壁煤體產(chǎn)生一定的侵蝕和沖刷作用，進(jìn)一步降低煤粒之間的摩擦系數(shù)，破壞煤體內(nèi)的原有結(jié)構(gòu)，降低煤體強(qiáng)度，從而容易發(fā)生塌孔現(xiàn)象。

在上述內(nèi)外因素共同影響下，鉆頭附近的煤體遭受巨大的破壞作用，從原始平衡狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展而演化為破碎區(qū)，從而發(fā)生塌孔事故。

2.2 千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置原則

通過對余吾煤業(yè)千米鉆機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及煤層鉆孔塌孔原因分析，結(jié)合余吾煤業(yè)的煤層賦存及生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出掘進(jìn)工作面使用千米鉆機(jī)施工長距離抽采鉆孔時(shí)應(yīng)遵循以下鉆孔布置原則：

1）布置千米鉆機(jī)前，結(jié)合當(dāng)前采掘活動(dòng)評估煤層受擾動(dòng)的狀況，選擇在未受采掘擾動(dòng)的穩(wěn)定煤層中布置長距離抽采鉆孔。

2）在距煤層底板適當(dāng)距離的穩(wěn)定巖層內(nèi)布置底抽巷，在底抽巷內(nèi)向上施工瓦斯預(yù)抽鉆孔，不僅可以增強(qiáng)鉆孔的穩(wěn)定性，而且抽采鉆孔保持一定的仰角施工，有利于自然排渣和排水，減弱鉆孔內(nèi)水流對孔壁煤巖體的侵蝕和沖刷作用。

3）長距離鉆孔的設(shè)計(jì)施工軌跡應(yīng)盡可能平滑簡單，減弱轉(zhuǎn)角和拐彎處的集中應(yīng)力影響，增強(qiáng)鉆孔自身結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)能力。

4）為了擴(kuò)大鉆孔的抽采范圍，抽采鉆孔應(yīng)按照一定的傾斜角度向巷道掘進(jìn)區(qū)域擴(kuò)散，從而在保證抽采效果的前提下，減少鉆孔布置數(shù)量和施工量。

3 掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置方式研究

通過分析煤層鉆孔的塌孔原因，依據(jù)所提出的定向長鉆孔優(yōu)化布置原則，結(jié)合鉆孔方位和掘進(jìn)巷道的空間位置關(guān)系，設(shè)計(jì)了“縱向”和“橫向”兩種掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置方式。

3.1 縱向優(yōu)化布置

如圖2所示，縱向優(yōu)化布置方式是指掘進(jìn)巷道與長距離鉆孔在空間位置呈垂直布置。VLD-1000型千米鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中可以拐彎，一次鉆孔長度較長，選擇適當(dāng)位置布置鉆場，分組施工長距離瓦斯抽放鉆孔，抽采待采掘臨近區(qū)域的煤層瓦斯，可以降低瓦斯壓力和消除采掘過程中可能發(fā)生的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)?？v向布置長距離鉆孔的覆蓋范圍廣，一次施工可預(yù)抽2～3個(gè)臨近區(qū)段工作面，抽采效率較高，有利于高產(chǎn)高效礦井快速推進(jìn)和采掘銜接。當(dāng)臨近區(qū)域布置有多個(gè)工作面，且煤層賦存穩(wěn)定和傾角變化不大時(shí)，抽采鉆孔應(yīng)優(yōu)先選擇縱向布置方式，提高抽采效率，促進(jìn)采掘快速銜接[5]。

圖2 抽采鉆孔縱向優(yōu)化布置示意圖

3.2 橫向優(yōu)化布置

如圖3所示，橫向優(yōu)化布置是指掘進(jìn)巷道與長距離抽采鉆孔在空間位置呈平行布置。與縱向布置方式相比較，橫向布置鉆場滯后掘進(jìn)頭一定距離，只有當(dāng)在鉆場施工鉆孔并抽采達(dá)標(biāo)和消突后，方可繼續(xù)向前掘進(jìn)；長距離鉆孔覆蓋范圍小，只能抽采本巷道掘進(jìn)區(qū)域附近的瓦斯，還需同時(shí)配合本煤層鉆孔抽采回采工作面范圍的瓦斯，相對鉆孔工作面量大。當(dāng)回采區(qū)域范圍較小，煤層賦存不穩(wěn)定，傾角變化較大或存在斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，抽采鉆孔只能在掘進(jìn)巷道內(nèi)選擇橫向方式布置，配合施工本煤層抽采鉆孔抽采工作面回采煤體內(nèi)的瓦斯。

圖3 抽采鉆孔橫向優(yōu)化布置示意圖

4 結(jié)語

余吾煤業(yè)從國外引進(jìn)千米鉆機(jī)施工瓦斯抽采鉆孔，雖然前期由于受煤層自身賦存條件及強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)的影響，加之鉆孔布置不合理，實(shí)際工程應(yīng)用沒有達(dá)到預(yù)期效果。但通過分析煤層鉆孔的塌孔原因，提出了適合本礦井的定向鉆孔優(yōu)化布置原則，并設(shè)計(jì)了“縱向”和“橫向”兩種掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)抽采鉆孔優(yōu)化布置方式，有效解決了煤層瓦斯突出和超限問題，體現(xiàn)了千米鉆機(jī)施工長距離鉆孔的優(yōu)勢，對具有類似煤層條件的周圍臨近礦井具有一定的借鑒意義。