侯國(guó)培，郭昆明，岳茂莊，王依磊

(1.山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

在煤炭行業(yè)發(fā)展陷入低迷的時(shí)期，提高瓦斯治理效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)成為越來(lái)越重要的研究課題。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，利用高位定向長(zhǎng)距離鉆孔代替高位鉆場(chǎng)頂板穿層鉆孔治理采空區(qū)和上隅角的瓦斯，取得了明顯的抽采效果。根據(jù)“O形圈”理論[1]，對(duì)鉆孔終孔高度進(jìn)行合理布置，并對(duì)比分析了高位定向長(zhǎng)距離鉆孔和頂板普通高位鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?、不同終孔高度變化對(duì)高位長(zhǎng)鉆孔抽采效果的影響。對(duì)比分析高位定向長(zhǎng)鉆孔和頂板高位鉆場(chǎng)穿層鉆孔的瓦斯抽采效果，證明了前者的抽采效果更佳。

1 地質(zhì)概況

山東唐口礦630回采面內(nèi)的3上煤層位于山西組中部。下距3下煤層0～46.74m，平均20.51m。全區(qū)除合并區(qū)外，均有分布，全部可采(可采系數(shù)為 100%)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，有時(shí)含 1～2層夾石，厚度變化為 2.10～6.51m，平均4.11m。在F2斷層以東煤層由2.38m向合并區(qū)逐漸變厚，煤層厚度變化比較均勻；在F2斷層以西、南北合并區(qū)之間，煤厚變化在2.10～6.51m之間，具有薄厚相間的一定變化，屬較穩(wěn)定～穩(wěn)定煤層。頂板主要為粉砂巖，少部分為中、細(xì)砂巖；底板為泥巖。

2 鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 “O形圈”理論以及“三帶”高度確定

煤層開(kāi)采過(guò)程中會(huì)影響上覆巖層，在走向上上覆巖層出現(xiàn)明顯的“O形圈”特征，從上往下巖層依次是彎曲下沉帶、裂隙帶、垮落帶，采空區(qū)“三帶”高度的劃分與回采面的厚度、開(kāi)采方式、上覆巖層的巖性等基本參數(shù)有關(guān)[2]，采空區(qū)三帶高度的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)三帶高度的計(jì)算公式

根據(jù)唐口煤業(yè)630采區(qū)的地層綜合柱狀圖以及普通鉆孔的可鉆性分析可知，唐口煤業(yè)3#煤層頂板的直接頂為泥巖，較軟；基本頂為中砂巖、泥巖和粉砂巖，硬度不高；基本頂和直接頂?shù)暮穸戎痛笥?0m，參照表1，選擇中硬巖性作為計(jì)算公式。因此，高位鉆孔高度Hz應(yīng)該滿足下列條件：

Hm

唐口煤礦630采區(qū)的3#煤層厚度9.10～10.10m，平均厚度為10.08m，根據(jù)上述理論計(jì)算得出其冒落帶高度Hm=11.4～16.4m，裂隙帶高度Hl=20.6～33.6m，因此高位鉆孔的高度取值為：16.4m

2.2 頂板高位鉆孔橫向間距設(shè)計(jì)

基于前述的采動(dòng)裂隙“O形圈”理論[3-9]，隨著回采面的發(fā)展，裂隙帶逐漸向靠近煤壁的地方轉(zhuǎn)移，而采空區(qū)中部逐漸被重新壓實(shí)，從而形成了一個(gè)采空區(qū)周邊連通的離層裂隙發(fā)育帶。高位定向長(zhǎng)距離鉆孔抽采瓦斯的原理即是將鉆孔布置在這個(gè)裂隙發(fā)育的區(qū)域，通過(guò)抽采采空區(qū)、上隅角經(jīng)裂隙發(fā)育場(chǎng)向上運(yùn)移的瓦斯，降低采面瓦斯的濃度，以達(dá)到安全高效生產(chǎn)目的。參照上述理論分析，在進(jìn)行高位鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔的高度方向上按裂隙帶發(fā)育范圍設(shè)計(jì)參數(shù)，而鉆孔的水平方向上則需參照煤礦的實(shí)際情況而定。參照唐口煤業(yè)6306工作面的實(shí)際情況，為便于瓦斯的抽采，將高位鉆孔距回風(fēng)巷中線的平距確定為小于15m范圍內(nèi)。

2.3 鉆孔布置

通過(guò)對(duì)高位鉆孔終孔位置的理論計(jì)算以及水平方向平距的確定，并結(jié)合630工作面頂板不同巖層的巖性特征和普通高位鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，在高度方向上，1#鉆場(chǎng)的3組高位鉆孔目標(biāo)層位分別選擇在中砂巖、粉砂巖和細(xì)砂巖這種巖石較硬并且強(qiáng)度較高的巖層中，以利用鉆孔孔壁的穩(wěn)定。此外，由于高位定向鉆孔長(zhǎng)度(400～600m)較普通高位鉆孔(100m)長(zhǎng)很多，為延長(zhǎng)每組鉆孔服務(wù)期限，盡量將各組鉆孔水平方向上的位置靠近回風(fēng)巷一側(cè)，3組鉆孔均控制在12m以內(nèi)。

由此再根據(jù)630工作面及運(yùn)輸巷的情況，6306工作面設(shè)計(jì)施工6組鉆孔，其中6306工作面K0+600m鉆場(chǎng)(1#鉆場(chǎng))的3組主孔設(shè)計(jì)深度為500m。3個(gè)主孔距開(kāi)孔點(diǎn)的目標(biāo)高差分別設(shè)置為40m、36m、28m。鉆場(chǎng)3個(gè)主孔水平方向上距6306運(yùn)輸巷巷道輪廓線分別為1m、4.5m、9m。

2.4 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

鉆孔施工位置為6306工作面K0+600m處，各鉆孔設(shè)計(jì)施工參數(shù)見(jiàn)表2。1#鉆場(chǎng)鉆孔的設(shè)計(jì)軌跡如圖1所示。

2.5 下套管設(shè)計(jì)

為了解決煤巖層界面處鉆孔穩(wěn)定性的問(wèn)題，特地采取下套管的方法進(jìn)行解決。具體設(shè)計(jì)：在每個(gè)鉆孔施工到煤巖交界處，再繼續(xù)施工10m左右，然后退鉆下套管越過(guò)煤巖交界10m范圍，封孔注漿、候凝，進(jìn)行下一步的施工。

表2 鉆孔設(shè)計(jì)施工參數(shù)

圖1 1#鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 定向鉆機(jī)性能參數(shù)

唐口礦高位鉆孔施工采用ZYWL-6000DS型定向鉆機(jī)，具體性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 ZYWL-6000DS型定向鉆機(jī)性能參數(shù)

3.2 鉆孔施工情況

高位長(zhǎng)距離定向鉆孔開(kāi)孔采用Φ113mm取芯鉆頭和巖芯管取芯至40m后，改用Φ173mm擴(kuò)孔鉆頭從孔口擴(kuò)至40m，下入40m的Φ127mm封孔套管，注漿封孔、候凝；然后采用“Φ96mm胎體式鉆頭+螺桿馬達(dá)+探管+無(wú)磁鉆桿+定向鉆桿+定向水辮”鉆具組合進(jìn)行施工。

2016年10月21日開(kāi)始施工試驗(yàn)，2016年12月20日中班竣工，耗時(shí)62d，施工總進(jìn)尺1509m，最大孔深504m。定向鉆孔施工統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 定向鉆孔施工統(tǒng)計(jì)

4 效益性分析與評(píng)價(jià)

4.1 鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量?duì)比分析

6306回采面高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量、濃度變化曲線如圖2所示。從瓦斯抽采混量來(lái)看，1#和2#孔抽采量可達(dá)到15～18m3/min，而3#鉆孔由于其層位布置較高，位于裂隙帶的上部或彎曲下沉帶內(nèi)，其單孔抽采量?jī)H為5～9m3/min。但相比于普鉆施工的高位鉆孔，其單孔抽采量在6m3/min左右，遠(yuǎn)小于高位定向鉆孔的抽采量。從抽采濃度來(lái)看，1#孔的濃度維持在7%～13%，3#孔的濃度維持在9%～15%，均高于普鉆高位鉆孔的濃度(5%～10%)，而2#孔在施工過(guò)程中由于碰到了煤壁的錨索，存在漏氣，因此其濃度稍低(5%～7%)。

圖2 6306回采面高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量變化曲線

綜合分析3組鉆孔的瓦斯抽采純量，正常情況下維持在3.5m3/min左右，而每3組普通高位鉆孔的瓦斯抽采純量為2m3/min左右，前者相對(duì)于后者可提高75%以上，抽采效果非常明顯。另外，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況來(lái)看，采用普通高位鉆孔時(shí)，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.24%～0.3%之間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.6%之間，改用高位定向鉆孔后，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.22%～0.26%之間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.5%之間。

4.2 終孔高度對(duì)瓦斯抽采濃度的影響分析

6306回采面定向長(zhǎng)距離不同鉆孔高度瓦斯?jié)舛茸兓€如圖3所示，通過(guò)分析圖3可知，3個(gè)定向鉆孔瓦斯抽采濃度的變化趨勢(shì)隨著抽采時(shí)間的變化基本一致。由圖3分析：層位36m的定向長(zhǎng)距離鉆孔的瓦斯抽采效果明顯高于其他兩個(gè)層位的瓦斯抽采效果。所以，對(duì)于定向高位長(zhǎng)距離鉆孔而言，選擇合適的終孔高度至關(guān)重要，就6306回采面而言，距離煤層36m高度的位置為布置定向長(zhǎng)距離鉆孔的最佳布孔高度。

圖3 6306回采面定向長(zhǎng)距離不同鉆孔高度瓦斯?jié)舛茸兓€

4.3 工程量對(duì)比

按照500m工作面巷道施工瓦斯抽采鉆孔比較，使用普通鉆機(jī)施工，需要開(kāi)10個(gè)鉆場(chǎng)(每50m一個(gè))，每個(gè)鉆場(chǎng)施工鉆孔3個(gè)，每個(gè)鉆孔長(zhǎng)度為100m，每個(gè)鉆場(chǎng)需要施工鉆孔長(zhǎng)度為300m，500m工作面巷道需要施工鉆孔長(zhǎng)度為300×10=3000m；使用千米定向鉆機(jī)施工，需要施工3個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔500m，需要施工鉆孔長(zhǎng)度500×3=1500m，總工程量二者相差一半。

4.4 施工周期對(duì)比

使用普通鉆機(jī)施工，每個(gè)鉆孔需要2d，30個(gè)鉆孔需要60d；使用千米定向鉆機(jī)施工，每個(gè)鉆孔需要10d，3個(gè)鉆孔需要30d，效率提高一倍。

4.5 鉆孔無(wú)效進(jìn)尺對(duì)比

使用普通鉆機(jī)施工每個(gè)鉆孔無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度為40m，每個(gè)鉆場(chǎng)無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度為120m，3000m無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度為1200m，占比40%；使用千米鉆機(jī)施工每個(gè)鉆孔無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度為50m，3個(gè)鉆孔共計(jì)無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度150m，占比10%。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，ZYWL-6000DS型定向鉆機(jī)滿足唐口礦6306工作面高位定向長(zhǎng)距離鉆孔施工試驗(yàn)的需求。

2)通過(guò)理論計(jì)算出6306工作面上覆巖冒落帶與裂隙帶的高度，冒落帶高度Hm=24.4±2.5m，裂隙帶高度Hl=41.6±8.9m或Hl=48.48m，確定高位定向長(zhǎng)距離鉆孔的施工位置。

3)通過(guò)瓦斯數(shù)據(jù)分析得出高位定向鉆孔的單位進(jìn)尺抽采量比頂板鉆孔要多，瓦斯抽采效果要好，前者單位進(jìn)尺的抽采量約為后者的2.2倍。

4)通過(guò)對(duì)比普通鉆機(jī)和定向鉆機(jī)施工高位鉆孔時(shí)的外圍輔助工程量、鉆進(jìn)效率、施工周期、有效孔深、瓦斯抽采效果等因素，證明了定向鉆機(jī)施工高位鉆孔不僅成本更低，而且效果更好，非常適合于唐口煤業(yè)對(duì)于采面回采過(guò)程中上隅角的瓦斯治理。