薛海騰， 李希建， 梁道富， 陳劉瑜， 馬晟翔

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心， 貴州 貴陽 550025； 3.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所， 貴州 貴陽 550025； 4.貴州黔西能源開發(fā)有限公司， 貴州 黔西 551507)

0 引言

瓦斯事故是礦山的主要災(zāi)害之一。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，礦井開采深度越來越深，瓦斯含量和涌出量也隨之增大，瓦斯治理比較困難[1]。瓦斯抽采是治理煤與瓦斯突出的常用措施[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對瓦斯治理做了大量研究工作。如美國研究者提出用地面鉆孔水力壓裂法開采煤層氣，通過地面鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，以及在井下巷道沿煤層打水平長鉆孔抽采等技術(shù)[3-4]。我國煤礦瓦斯抽采大致經(jīng)歷了高透氣性煤層瓦斯抽采階段、鄰近層卸壓瓦斯抽采階段、低透氣性煤層強(qiáng)化瓦斯抽采階段和綜合瓦斯抽采階段[5-6]，主要采用井上鉆井抽采與井下鉆孔抽采相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行煤礦區(qū)域瓦斯治理，降低煤層瓦斯突出危險[7]。但是傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法工程量較大且只適用于地質(zhì)條件較好、煤層透氣性好、瓦斯較容易釋放的礦井。對于地質(zhì)條件較差、瓦斯含量較高、煤質(zhì)較松軟、透氣性差、游離態(tài)和吸附態(tài)瓦斯不易釋放的煤礦，瓦斯治理尤為困難。針對該問題，以地質(zhì)條件差、瓦斯含量高且煤層松軟的兗礦貴州能化有限公司青龍煤礦為例，采用千米鉆機(jī)順層條帶定向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行瓦斯治理，取得了較好的治理效果，對類似礦井有推廣意義。

1 礦井概述

1.1 基本情況

青龍煤礦井田面積為20.650 3 km2，截至2015-12-31，保有資源儲量為27 770.8萬t。礦井采用一組斜井進(jìn)行開拓，即主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井，平面間距均為40 m。全井田共劃分為4個采區(qū)，開采順序?yàn)橛山斑h(yuǎn)、先上后下。采煤工藝主要為綜采。掘進(jìn)工藝主要為綜掘。工作面采用長壁后退式綜采支架一次采全高采煤法，采用全部垮落法管理頂板。支護(hù)方式主要為錨網(wǎng)支護(hù)、鋼棚支護(hù)、錨噴聯(lián)合支護(hù)。

1.2 礦井瓦斯治理現(xiàn)狀

(1) 保護(hù)層開采抽采方式。青龍煤礦井田范圍內(nèi)含煤共15層，可采煤層為M16,M17(局部可采),M18煤層。根據(jù)青龍煤礦的實(shí)際情況，以M16煤層作為保護(hù)層，先開采M16煤層[8]，減少M(fèi)16煤層的瓦斯涌出量，增加M17,M18煤層的透氣性，使M17,M18煤層安全開采。

(2) 工作面順層+穿層立體抽采。采用順層鉆孔抽采時，鉆孔間距為3～5 m，鉆孔長度為80～100 m，鉆孔終孔直徑為113 mm，全程下套管；采用穿層鉆孔抽采時，鉆孔間距為10～15 m，鉆場間距為10～15 m，重點(diǎn)抽采工作面距進(jìn)回風(fēng)巷大于60 m及順層鉆孔控制空白帶區(qū)域。順層鉆孔+穿層鉆孔立體抽采鉆孔布置如圖1所示[9]。

圖1 立體抽采鉆孔布置Fig.1 Three-dimensional drainage drilling layout

(3) 走向高位鉆孔抽采。在采用高位定向鉆孔進(jìn)行區(qū)域抽采的同時，結(jié)合高位鉆孔抽采高位定向鉆孔盲區(qū)或不適宜布置區(qū)域，可更好地實(shí)現(xiàn)工作面采空區(qū)瓦斯抽采[10]。

2 順層定向鉆孔與分支孔控制技術(shù)

2.1 順層定向鉆孔原理

利用定向鉆機(jī)在孔口提供工具面調(diào)整與制動、回轉(zhuǎn)、給進(jìn)起拔動力[11]。利用泥漿泵輸出沖洗液并經(jīng)旁通閥(或代用接頭)進(jìn)入螺桿馬達(dá)，將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，進(jìn)行定向鉆進(jìn)。利用隨鉆測斜數(shù)據(jù)來調(diào)整彎外管的工具面向角，使鉆孔的傾角和方位基本達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。順層定向鉆孔如圖2所示。

圖2 順層定向鉆孔Fig.2 Directional drillings along layer

2.2 分支孔控制技術(shù)

施工時，根據(jù)礦井地質(zhì)構(gòu)造條件及目的，有“前進(jìn)式”和“后退式”2種施工順序。但是在進(jìn)行施工時都存在從主孔中定向開分支孔問題，還可能涉及分支孔重入技術(shù)[12]。

(1) 主孔中開分支孔技術(shù)。針對煤礦井下鉆孔施工一般均為裸眼的狀況，可采取裸眼側(cè)鉆技術(shù)開出各分支孔。懸空側(cè)鉆施工工藝簡單，易實(shí)現(xiàn)，是目前最為常用的開分支孔方法[13]。主孔及其分支孔布置如圖3所示。

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圖3 主孔及其分支孔布置Fig.3 Layout of main drilling and its branch drillings

(2) 分支孔重入技術(shù)。在定向分支鉆孔中，如果主孔中有多個分支孔，進(jìn)行起下鉆或換鉆頭作業(yè)后，可能面臨如何重新進(jìn)入某分支孔的問題。針對煤礦井下多采用裸眼定向鉆孔的情況，一般通過調(diào)整工具面向角來重新進(jìn)入預(yù)定分支鉆孔中[14]。

定向鉆進(jìn)技術(shù)和分支孔控制技術(shù)保證了鉆孔軌跡控制精度滿足技術(shù)要求。

3 施工方案

3.1 鉆場布置

21601工作面運(yùn)輸巷Y3點(diǎn)向前5～205 m區(qū)域共設(shè)計(jì)抽采鉆孔2組，16個鉆孔，其中順層預(yù)抽鉆孔12個，設(shè)計(jì)開孔間距為0.5 m；定向預(yù)抽鉆孔4個，設(shè)計(jì)開孔間距為1.5 m，設(shè)計(jì)抽采半徑為5 m，控制巷道掘進(jìn)方向長度為200 m，控制巷道兩幫輪廓線外各15 m，巷道寬度為4.5 m，鉆孔平均控制傾向長度為34.5 m，控制21601工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)方向長度為227.5 m，有效影響半徑為5 m，如圖4所示，其中紅色為定向鉆孔(4個)，藍(lán)色部分為普通鉆控制范圍，普通鉆孔共12個。鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖如圖5所示。

圖4 21601工作面運(yùn)輸巷鉆孔
Fig.4 Drillings at transportation roadway of 21601 working face

圖5 21601工作面運(yùn)輸巷鉆孔設(shè)計(jì)剖面Fig.5 Section of drillings at transportation roadway of 21601 working face

3.2 鉆孔施工難題

(1) 煤層松軟，瓦斯較高，施工順層鉆孔會遇到嚴(yán)重噴孔、塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致抱鉆、壓鉆事故。

(2) 設(shè)計(jì)鉆孔為順層鉆孔，可能會與底抽巷定向鉆孔串孔。

(3) 煤層瓦斯含量較高，鉆桿向前打孔過程中會破壞周圍煤巖的應(yīng)力分布，使得一部分瓦斯由吸附狀態(tài)變化為游離狀態(tài)瞬間釋放出來，導(dǎo)致多重瓦斯超限現(xiàn)象。

3.3 解決方案

(1) 將水動力鉆孔改為風(fēng)動力鉆孔，即利用礦用空壓機(jī)將外界的空氣吸入，再壓縮作為鉆進(jìn)的動力。

(2) 若出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，立即停止施工，將串孔封堵，調(diào)整鉆桿角度后再向前打孔。

(3) 施工過程中隨時使用瓦斯檢測儀檢測瓦斯含量，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，馬上連通瓦斯放噴裝置進(jìn)行連抽，以降低瓦斯含量，避免瓦斯突出。

4 應(yīng)用效果分析

2018-05-19—06-28，在青龍煤礦21601工作面運(yùn)輸巷Y3點(diǎn)向前80 m處的不同方向和不同深度取煤樣，測定可解吸瓦斯含量和殘余瓦斯含量。

(1) 可解吸瓦斯含量測定。在井下向煤層施工鉆孔，采集一定深度處的新鮮煤樣，利用DGC瓦斯含量直接測定裝置進(jìn)行測定[15]。根據(jù)AQ 1066—2008《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》，煤層可解吸瓦斯含量Q為井下解吸含量Q1(瓦斯損失量)、常壓解吸含量Q2和粉碎后瓦斯解吸含量Q3之和，即Q=Q1+Q2+Q3[16]。

在21601工作面運(yùn)輸巷Y3點(diǎn)向前80 m，2018-07-01T06:40:00開始第1次井下解吸，解吸時間為30 min，鉆孔傾角為-6°，鉆孔方位為25°，取樣深度為24～25 m，煤樣質(zhì)量為468.1 g，水分為1%。2018-07-01T21:40:00進(jìn)行第2次井下解吸，解吸時間為30 min，鉆孔傾角為-4°，鉆孔方位為7°，取樣深度為90～91 m，煤樣質(zhì)量為596.2 g，水分為1%。2次解吸量和解吸時間的關(guān)系如圖6所示。

第1次解吸量和解吸時間的關(guān)系可表示為

圖6 解吸時間與解吸量關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of desorption time and desorption amount

(1)

從圖6可看出，隨著解吸時間增大，第1次解吸量最終趨于穩(wěn)定，當(dāng)時間為20 min時，解吸量穩(wěn)定為186 mL，說明煤樣最大解吸量為186 mL。測得井下解吸含量Q1=0.846 8 m3/t，常壓解吸含量Q2=0.494 4 m3/t，粉碎后解吸含量Q3=0.431 7 m3/t，則第1次可解吸瓦斯含量Qa=1.772 9 m3/t。

第2次解吸量和解吸時間的關(guān)系可表示為

(2)

由圖6可看出，當(dāng)解吸時間為25 min時，第2次解吸量穩(wěn)定為310 mL。測得Q1=0.860 3 m3/t，Q2=0.678 2 m3/t，Q3=0.630 9 m3/t，則第2次可解吸瓦斯含量Qb=2.191 3 m3/t。

(2) 殘余瓦斯含量測定。殘余瓦斯含量W等于可解吸瓦斯含量與殘存瓦斯含量之和。測得2次殘存瓦斯含量均為3.001 0 m3/t，則第1次殘余瓦斯含量W1=4.773 9 m3/t，第2次殘余瓦斯含量W2=5.170 4 m3/t。根據(jù)AQ 1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》，煤炭日產(chǎn)量小于1 000 t的礦井，殘余瓦斯含量應(yīng)小于8 m3/t，因此，W1和W2均滿足要求。

連續(xù)抽采一個多月后，瓦斯抽采純量無衰減，平均瓦斯抽采純量達(dá)到1.26 m3/min，比原來提高了12%。與常規(guī)鉆孔相比，采用定向鉆孔抽采的瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了50%，抽采瓦斯可用于地面發(fā)電，瓦斯治理效果顯著。

5 結(jié)論

(1) 基于千米鉆機(jī)長距離順層條帶定向鉆孔技術(shù)，在青龍煤礦21601工作面運(yùn)輸巷Y3點(diǎn)向前5～205 m處進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。通過定向鉆進(jìn)技術(shù)和分支孔控制技術(shù)保證鉆孔軌跡控制精度，避免了盲鉆、盲抽等現(xiàn)象，瓦斯治理效果顯著。

(2) 在21601工作面運(yùn)輸巷Y3點(diǎn)向前80 m處的不同方向和不同深度取煤樣，測定其殘余瓦斯含量，得到殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，滿足AQ 1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》要求，降低了瓦斯突出危險，加快了工作面掘進(jìn)速度，為礦井高產(chǎn)高效奠定了基礎(chǔ)。