周文宇

華晉焦煤沙曲二號(hào)煤礦 山西 呂梁 033300

引言

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，使得大量的新型科學(xué)技術(shù)被研發(fā)出來(lái)，進(jìn)而推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的健康穩(wěn)定的發(fā)展。這樣對(duì)于煤礦綜合機(jī)械化采煤工藝的發(fā)展也起到了積極的影響作用，在運(yùn)用這項(xiàng)工藝的時(shí)候，往往會(huì)遇到瓦斯泄露的問(wèn)題，進(jìn)而嚴(yán)重的威脅到了煤礦資源開(kāi)采工作安全性。因?yàn)橥咚古c空氣之間的質(zhì)量是存在明顯的密度差，再加上采空區(qū)域存在漏風(fēng)的情況，在采空區(qū)域頂層板材裂縫中極易存積大量的高濃度的瓦斯氣體，進(jìn)而可以順著密封墻體或者是煤柱的縫隙涌入到采煤區(qū)域或者是礦井巷道之內(nèi)，這樣就會(huì)影響到通風(fēng)的效果，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的危險(xiǎn)的事故。經(jīng)過(guò)對(duì)大量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們發(fā)現(xiàn)，工作面回風(fēng)流瓦斯有超過(guò)一半的成分是來(lái)源于采空區(qū)域，采空區(qū)域瓦斯泄露極易導(dǎo)致空間內(nèi)瓦斯密度的增加，進(jìn)而會(huì)增加空間內(nèi)的危險(xiǎn)系數(shù)，進(jìn)而，結(jié)合實(shí)際情況采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)空間內(nèi)的隅角瓦斯加以切實(shí)的管控，能夠有效地保證礦井開(kāi)采工作的有序的進(jìn)行。就現(xiàn)如今的技術(shù)情況來(lái)看，煤礦開(kāi)采空間內(nèi)的隅角瓦斯的預(yù)防和治理方法有多重要，諸如：高抽巷法、地面鉆孔法、埋管法、普通高位鉆孔法、高位定向長(zhǎng)鉆孔法等，這些方法在實(shí)際工作中加以運(yùn)用之后都能夠獲得較好的成效，但是高抽巷法，相對(duì)來(lái)說(shuō)花費(fèi)較多，后期維保工作也會(huì)需要大量的資金，并且在實(shí)施管理工作的時(shí)候存在諸多的困難。埋管法存在抽樣采集效率低下的情況。地面鉆孔方法適合運(yùn)用在煤礦挖掘深度較淺的高瓦斯煤層結(jié)構(gòu)之中，并且整個(gè)工序的花費(fèi)較多。普通高溫款空方法盡管具有良好的實(shí)用性，并且在實(shí)際使用中操作較為簡(jiǎn)便，但是與高位定向長(zhǎng)鉆孔方法相比較來(lái)說(shuō)，鉆孔效果不能加以控制，極易產(chǎn)生失誤，這樣對(duì)于瓦斯的抽樣采集形成一定的影響。并且鉆孔的深度較差，并且涉及到的工作程序較為繁瑣。高溫定向長(zhǎng)鉆孔方法其實(shí)質(zhì)就是借助隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在資源挖掘空間內(nèi)搭建一個(gè)采動(dòng)裂縫瓦斯抽樣采集渠道，在回采工作面的不斷延伸過(guò)程中，借助采動(dòng)壓力來(lái)構(gòu)建縱向破裂裂縫以及水平方向的離層裂縫采樣采空區(qū)域。其最為突出的特征主要有：首先鉆孔進(jìn)行軌跡具有一定的可控性，在有效抽樣采集區(qū)域內(nèi)鉆孔效率較高。其次，覆蓋面積較大，能夠大范圍的瓦斯抽樣工作創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。最后是鉆孔可以選擇在回風(fēng)巷或者是工作空間內(nèi)的順槽之中，不需要安設(shè)高位鉆長(zhǎng)。現(xiàn)如今，高位定向長(zhǎng)鉆孔可以說(shuō)是煤炭資源挖掘空間內(nèi)隅角瓦斯治理的關(guān)鍵方法，在國(guó)內(nèi)的諸多大型煤炭企業(yè)中被大范圍的加以運(yùn)用，并且取得了良好的成效。

1 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)

1.1 層位布置

高位定向長(zhǎng)鉆孔層位位置的選擇與工作空間內(nèi)隅角瓦斯的抽樣采集存在一定的關(guān)聯(lián)，通常情況下是借助上隅角周邊的裂縫情況來(lái)加以判斷。利用專業(yè)的理論知識(shí)我們可以總結(jié)出，裂縫之中可能會(huì)存在較多的高濃度的瓦斯氣體，并且裂縫形成較為充實(shí)，進(jìn)而是實(shí)施瓦斯抽樣采集的最佳位置，換句話說(shuō)，高溫定向長(zhǎng)鉆孔層位的控制需要保持在采動(dòng)裂縫的既定范圍之內(nèi)。當(dāng)下，針對(duì)擦空區(qū)域頂層板垂直方向三帶的發(fā)育程度的判斷方式還沒(méi)有較為高效的判斷方法，通常是借助裂縫帶高度的專業(yè)計(jì)算公式來(lái)加以判斷。

1.2 成孔方法

經(jīng)過(guò)理論分析以及大量的試驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)：鉆孔直徑與瓦斯的抽樣采集的結(jié)果存在密切的關(guān)聯(lián)，鉆孔直徑越大，那些瓦斯的抽樣采集的效果就會(huì)表現(xiàn)的越好。就當(dāng)前擁有的定向鉆進(jìn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，為了得到需要的大直徑的高位定向長(zhǎng)鉆孔，通常人們會(huì)利用導(dǎo)向孔輔助分級(jí)擴(kuò)孔的施工方法。首先借助隨機(jī)測(cè)量定向鉆進(jìn)的模式來(lái)確定運(yùn)行可控的導(dǎo)向孔，隨后借助專業(yè)的擴(kuò)孔鉆頭來(lái)對(duì)孔洞的直徑加以擴(kuò)大。

(1)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)?，F(xiàn)如今在那些規(guī)模較大的煤礦企業(yè)煤炭挖掘工作中大范圍的運(yùn)用了隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)能夠較好的對(duì)鉆孔的軌跡加以控制。在高位定向長(zhǎng)鉆孔導(dǎo)向孔的設(shè)置工作中，引用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)有效的確保了鉆孔軌跡在采動(dòng)裂縫中的擴(kuò)張，進(jìn)而能夠保證鉆孔在工作空間內(nèi)回采環(huán)節(jié)中與采動(dòng)裂縫進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)隅角瓦斯采動(dòng)收集的目的。

(2)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。在針對(duì)孔洞實(shí)施直徑擴(kuò)展的時(shí)候，可以選擇回轉(zhuǎn)擴(kuò)工施工技術(shù)，借助具備良好引導(dǎo)作用的擴(kuò)孔鉆頭，利用專業(yè)的方法將孔洞的直徑擴(kuò)展到需要的標(biāo)準(zhǔn)水平。

2 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工裝備

2.1 定向鉆機(jī)

定向鉆機(jī)完成高位定向長(zhǎng)鉆孔孔洞設(shè)置的基本機(jī)械，結(jié)合孔洞的特征以及分布的特點(diǎn)，可以劃分為不同的結(jié)構(gòu)形式，在選擇使用的時(shí)候需要充分的結(jié)合實(shí)際情況以及鉆進(jìn)的需求。

2.2 定向鉆具

孔底馬達(dá)是整個(gè)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，其實(shí)鉆進(jìn)系統(tǒng)中能源的主要來(lái)源。

2.3 隨鉆測(cè)量?jī)x器

就現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)的煤炭井下挖掘現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)都是借助有線傳輸?shù)男问?，傳輸?shù)木嚯x通常都是超過(guò)一千米以上。鉆孔軌跡標(biāo)準(zhǔn)可以利用探管來(lái)加以判斷，并且需要結(jié)束通線鉆桿來(lái)將測(cè)量獲得的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這樣能夠達(dá)到雙向信息傳遞的目的。結(jié)合電能供應(yīng)形式的不同，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)探管結(jié)構(gòu)可以劃分為良好總形式，即孔底供電測(cè)量探管和孔口供電測(cè)量探管。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)配合孔底馬達(dá)能夠達(dá)到實(shí)時(shí)鉆孔軌跡測(cè)量和控制的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 在沙曲煤礦24208工作面的應(yīng)用

(1)工作面概況。沙曲煤礦24208工作面開(kāi)采3+4#煤層，煤層厚度3.5～4m。24208工作面頂板巖層總體情況較好，局部可見(jiàn)炭質(zhì)泥巖偽頂和破碎直接頂，基本頂巖性較好，未受到周邊工作面擾動(dòng)影響，巖層較完整。

(2)鉆孔施工情況。24208工作面的頂板走向鉆孔分為兩部分布置，一部分用定向鉆機(jī)在22201配巷施工高位定向鉆孔；另一部分用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)在24208回風(fēng)巷施工高位非定向鉆孔。為了充分對(duì)比高位非定向鉆孔與高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果，將高位定向鉆孔主抽采孔段布置于平面上沿工作面走向工作面以內(nèi)距回風(fēng)巷內(nèi)幫25～65m處，剖面上距煤層頂板6～8倍采高。

(3)瓦斯抽采效果分析。煤礦瓦斯災(zāi)害治理是一個(gè)綜合的過(guò)程，往往需要多種抽采方法的配合才能保證煤礦的安全回采。基于瓦斯應(yīng)抽盡抽的理念，結(jié)合該工程工作面實(shí)際情況，前期預(yù)抽煤層瓦斯消除突出危險(xiǎn)性，后期綜合治理相結(jié)合的采煤工作面“全方位立體式”瓦斯綜合治理措施，采用“地面與井下抽采相結(jié)合，穿層和順層抽采相結(jié)合、保護(hù)層開(kāi)采與卸壓抽采相結(jié)合”的瓦斯綜合抽采模式。即采用不同形式對(duì)回采工作面原始瓦斯預(yù)抽以及回采期間的瓦斯抽采，包括穿層鉆孔、順層鉆孔、高位鉆孔、攔截鉆孔、地面井和上隅角埋管抽采等。為綜合分析對(duì)比高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，采集了高位定向長(zhǎng)鉆孔與高位抽放巷瓦斯抽采數(shù)據(jù)。高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采濃度隨工作面推進(jìn)逐漸增加，最高值達(dá)到80%，平均值53.6%。工作面回采初期，高位非定向鉆孔起主要作用，鉆孔平均總純瓦斯流量為1.35m3/min，平均濃度為40%；回采中期高位定向鉆孔和高位非定向鉆孔共同起作用，定向鉆孔平均總純瓦斯流量為6m3/min,平均濃度為60%，非定向鉆孔平均總純瓦斯流量為4m3/min,平均濃度30%；回采后期，高位定向鉆孔起主要作用，平均瓦斯抽采純量10m3/min ,平均濃度80%，且持續(xù)到工作面回采結(jié)束后一個(gè)星期。

通過(guò)對(duì)上述瓦斯抽采數(shù)據(jù)的綜合分析，認(rèn)為工作面采動(dòng)裂隙瓦斯抽采具有一定效果，其表現(xiàn)為隨著工作面的不斷推進(jìn)，高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采能夠抽出高濃度大流量的瓦斯，且高位定向長(zhǎng)鉆孔介入抽采期間高位定向鉆孔的瓦斯抽采純量較非定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果明顯，回采中期兩種抽采方式抽采濃度相差30%。由此可見(jiàn)，高位定向長(zhǎng)鉆孔與高位非定向鉆孔抽采了同一瓦斯源，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采頂板采空區(qū)瓦斯，降低了高位非定向鉆孔瓦斯抽采流量，這種影響是有益的，為高位定向長(zhǎng)鉆孔層位選擇提供了參考依據(jù)。

3.2 在吉寧礦2102工作面的應(yīng)用

(1)工作面概況。吉寧礦2102工作面主采2號(hào)煤層，該煤層位于山西組下部，頂板上部巖石成分基本為泥巖、粉砂巖、中粒砂巖等，煤層厚度在5.9～6.2m，平均厚6.05m。黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主。含夾矸一般為2層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變異指數(shù)為0.09，屬于穩(wěn)定可采煤層。

(2)鉆孔施工情況。根據(jù)覆巖采動(dòng)裂隙分布特征與吉寧礦工作面通風(fēng)特點(diǎn)，結(jié)合吉寧礦實(shí)際情況，在2102膠帶巷鉆場(chǎng)布置4個(gè)定向鉆孔，最深鉆孔達(dá)到702m，鉆孔孔徑均為203mm，終孔位置平面位于2102切眼往外36m處，剖面位置距離開(kāi)孔高度為48m布置在泥巖中，各孔水平間距15m。

(3)瓦斯抽采效果分析。為綜合考察工作面上隅角瓦斯抽采治理效果，統(tǒng)計(jì)分析了鉆場(chǎng)內(nèi)4個(gè)鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，高位鉆孔瓦斯抽采流量隨抽采時(shí)間變化。經(jīng)觀測(cè)該鉆場(chǎng)平均單孔瓦斯抽采流量達(dá)到9.89m3/min，單孔最大抽采流量在30m3/min以上，抽采效果較好。同時(shí)，在高位定向長(zhǎng)鉆孔介入前(30m以內(nèi))回風(fēng)巷各采集點(diǎn)的瓦斯?jié)舛容^高;介入后(30～100m)，瓦斯?jié)舛让黠@下降。其中，2102回風(fēng)巷風(fēng)流和巷口的瓦斯?jié)舛认陆当壤畲螅?.65%降為0.40%，抽采效果顯著。由此可見(jiàn)，應(yīng)用高位定向長(zhǎng)鉆孔有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，為安全生產(chǎn)提供了保障。

4 工作面瓦斯綜合治理措施

煤礦瓦斯災(zāi)害治理工序并不是一定簡(jiǎn)單的工作，通常是需要借助多個(gè)抽樣采集的方式加以輔助才可以確保煤炭資源挖掘工作的安全性。在充分的聯(lián)系瓦斯應(yīng)抽盡抽原則，并結(jié)合4901工作空間的現(xiàn)實(shí)狀況，初期預(yù)抽煤層瓦斯消除具有較高的危險(xiǎn)系數(shù)，后期在實(shí)施整體治理的時(shí)候可以選擇統(tǒng)合采煤空間立體形式的瓦斯整體治理的形式，將地面與井下抽樣采集進(jìn)行融合，更好的提升工作的效率和質(zhì)量，換句話說(shuō)就是利用各類不同形式來(lái)對(duì)回采工作空間內(nèi)的存在的瓦斯實(shí)施抽采。

4.1 傳統(tǒng)瓦斯治理措施

突出煤層4#煤工作面高位鉆孔均在進(jìn)風(fēng)巷施工。在工作面進(jìn)風(fēng)巷自切眼向外每隔80m施工一個(gè)高位鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工高位、攔截鉆孔。高位鉆孔壓茬30m。當(dāng)工作面回采至高位鉆場(chǎng)10-15米時(shí)，必須將該處抽采鉆孔管路拆除，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔注漿，同時(shí)打開(kāi)下一個(gè)高位鉆場(chǎng)的鉆孔抽采工作面瓦斯。該方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）在針對(duì)鉆孔以及進(jìn)風(fēng)通道結(jié)構(gòu)實(shí)施建造可以選擇平行施工的方法，但是安全管理工作的開(kāi)展存在一定的困難。（2）鉆孔利用效率較差，工作空間回采延續(xù)到鉆場(chǎng)之前的十到十五米，鉆孔務(wù)必要將封孔結(jié)構(gòu)實(shí)施拆卸。（3）工作空間通過(guò)兩組鉆孔搭茬結(jié)構(gòu)的時(shí)候，抽采質(zhì)量較差，極易引發(fā)工作面瓦斯超出極限的情況（4）工作面高位鉆孔要求封孔至冒落帶以上，實(shí)際封孔效果不理想，鉆孔進(jìn)入采空區(qū)后形成瓦斯通道，易將中組煤卸壓瓦斯導(dǎo)入工作面，給工作面瓦斯管理帶來(lái)難度。

4.2 創(chuàng)新瓦斯治理措施

為避免工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)上述4種問(wèn)題，在工作面收作線外施工定向長(zhǎng)鉆孔替代在進(jìn)風(fēng)巷施工高位鉆孔治理工作面瓦斯，避免了工作面過(guò)高位鉆場(chǎng)時(shí)的瓦斯隱患，提高了鉆孔利用率。在4901工作面停產(chǎn)線外的4#煤層鉆場(chǎng)，采用千米定向鉆機(jī)施工4個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔作為高位鉆孔，鉆孔終孔位于4#煤采高8-10倍，抽采工作面裂隙帶瓦斯，單孔深度700m，總工程量2800m。

5 結(jié)論

高位定向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)直接設(shè)在回風(fēng)巷，具有鉆孔層位布置靈活、目標(biāo)層位鉆遇率高、覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢(shì)，隨著煤礦井下定向鉆探技術(shù)裝備的發(fā)展，煤層頂、底板巖石鉆孔深度可達(dá)上千米，鉆孔直徑可達(dá)203mm，完全滿足了高位定向長(zhǎng)鉆孔施工需求。多年的高位定向長(zhǎng)鉆孔推廣應(yīng)用實(shí)踐表明，因各礦區(qū)巖層巖性特點(diǎn)、裂隙發(fā)育程度以及瓦斯賦存特性的差異性，鉆孔層位、鉆孔數(shù)量對(duì)鉆孔成孔率、上隅角瓦斯治理效果均有顯著影響。因此，煤礦企業(yè)首先需通過(guò)試驗(yàn)鉆孔摸清該采區(qū)頂板地層特征后，優(yōu)化布孔設(shè)計(jì)，以使高位定向長(zhǎng)鉆孔在工作面上隅角瓦斯以及采空區(qū)瓦斯治理中達(dá)到理想抽采效果。同時(shí)，建議將多分支高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)研究應(yīng)用于工作面上隅角瓦斯治理，縮短鉆孔施工周期，降低鉆孔施工成本，提高瓦斯綜合治理效果。