李 蓬 勃

（陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城715400）

0 引 言

隨著機(jī)械化開采強(qiáng)度增加，煤炭回采工作面瓦斯涌出增大，瓦斯涌出治理成為礦井需要解決的重要課題[1-3]。

從瓦斯涌出來源上著手，礦井可以實(shí)際情況制定不同的治理技術(shù)措施。但由于煤層賦存較為復(fù)雜，以及治理措施可能存在技術(shù)和執(zhí)行上的缺陷，最終瓦斯涌出治理的重點(diǎn)依然在抽采采空區(qū)瓦斯，防治上隅角處瓦斯超限[4-6]。

目前普遍采用的采空區(qū)瓦斯治理方法主要有要有高抽巷法、尾巷法、埋管法、普通高位鉆孔法等，這些方法在一些礦區(qū)取得了較好的治理效果，然而存在一些成本高、效率低和限制使用的缺陷。隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)日趨成熟，鉆孔軌跡可控，覆蓋范圍廣，鉆孔施工位置選擇方便。目前，我國(guó)眾多礦井均開始試驗(yàn)采用高位定向長(zhǎng)鉆孔治理工作面上隅角瓦斯并取得了較好的效果[7-10]。

1 試驗(yàn)礦井概況

象山礦井主要開采3# 和5# 煤層，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為24m3/min，屬高瓦斯礦井。5#煤層工作面采用" 本煤層鉆孔預(yù)抽+ 仰角高位裂隙鉆孔抽放+上隅角埋管"瓦斯治理措施。由于仰角高位裂隙鉆孔設(shè)計(jì)層位及鉆孔有效長(zhǎng)度有限，回采期間其鉆孔長(zhǎng)度隨著工作面回采推進(jìn)度，頂板冒落，鉆孔隨之被切斷，鉆孔服務(wù)有效周期較短，鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采量不穩(wěn)定；上隅角埋管受抽采管徑限制抽采流量小，工作面瓦斯治理效果有待進(jìn)一步提升。

象山礦井5#煤層采煤工藝為綜采，全部垮落法管理頂板。5#煤層平均回采厚度為2.5m，屬較穩(wěn)定的中厚煤層。直接頂為細(xì)砂巖或者中砂巖、粉砂巖，致密堅(jiān)硬，厚5～20m。基本頂為細(xì)砂巖、中粒砂巖，較堅(jiān)硬，中厚層狀，一般在3.0m 左右。

象山礦井5#煤層頂板巖性具備施工定向長(zhǎng)鉆孔條件，技術(shù)上可行，提出采用頂板定向長(zhǎng)鉆孔治理象山礦井5#煤層回采工作面采空區(qū)瓦斯。

2 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

定向高位抽采鉆孔的層位選擇對(duì)項(xiàng)目成功實(shí)施至關(guān)重要，定向高位抽采鉆孔布置太低，鉆孔處于冒落帶范圍內(nèi)，隨著工作面推進(jìn)，鉆孔與采空區(qū)溝通，瓦斯抽采流量大，瓦斯抽采濃度低，瓦斯抽采純量不大。如果鉆孔布置層位太高，鉆孔處于彎曲下沉帶內(nèi)，裂隙發(fā)育不充分，定向高位鉆孔瓦斯抽采濃度較高，但是瓦斯抽采純量小，解決工作面瓦斯涌能力有限。根據(jù)瓦斯富集理論，高位定向長(zhǎng)鉆孔合理布置位置如圖1 所示。

圖1 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意圖

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔豎向?qū)游贿x擇

定向高位抽采鉆孔既要能保證能大量抽出瓦斯，又能在工作面推進(jìn)過后保持相當(dāng)一段距離不被破壞，從而保證瓦斯量，鉆孔布置應(yīng)在采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)即瓦斯富集區(qū)，且該區(qū)位煤巖體裂隙發(fā)育，在抽采起作用時(shí)間內(nèi)不易被巖層垮落所破壞，鉆孔位置的選擇應(yīng)在裂隙帶中。根據(jù)垮落帶和裂隙帶計(jì)算結(jié)果，垮落帶高度為2.5～7m；計(jì)算結(jié)果裂隙帶高度為23～30m。頂板定向長(zhǎng)鉆孔應(yīng)布置在距頂板23～30m 之間，使之處于裂隙帶內(nèi)。12506 工作面上覆3#煤層工作面回采完畢，3#煤層與5#煤層層間距26～30m 之間，鉆孔布置要避開上鄰近層采空區(qū)對(duì)頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽采影響，設(shè)計(jì)將鉆孔布置在頂板細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖巖層中。因此，頂板定向長(zhǎng)鉆孔終孔布置在5#煤層頂板向上垂距15～22m之間，5 個(gè)高位鉆孔布置層位高度如圖2 所示。

圖2 高位定向長(zhǎng)鉆孔布置垂高

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔內(nèi)錯(cuò)距離選擇

一般頂板定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷水平距離的選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：若布置在工作面中部，由于距冒落拱頂部較近，與采空區(qū)連通性強(qiáng)，易抽入空氣，因而不宜布置在中部。從通風(fēng)角度看，靠進(jìn)風(fēng)一側(cè)布置，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊?，遠(yuǎn)距離頂板巷道抽放效果不好；若靠回風(fēng)一側(cè)布置，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛雀?，遠(yuǎn)距離頂板巷道抽放效果好。保證定向高位抽采鉆孔處于充分卸壓后的裂隙帶范圍內(nèi)，同時(shí)還需考慮工作面通風(fēng)負(fù)壓動(dòng)力影響，會(huì)造成采場(chǎng)瓦斯向回風(fēng)側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。定向高位抽采鉆孔距回風(fēng)巷水平投影距離一般定為15～45m。

結(jié)合煤層頂板頂板裂隙帶和冒落帶高度計(jì)算結(jié)果，根據(jù)工作面頂板垮落"O" 型圈原理，考慮鉆孔投影平距的影響，本次設(shè)計(jì)頂板定向長(zhǎng)鉆孔平面投影距離內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷0～45m，5 個(gè)高位鉆孔布置內(nèi)錯(cuò)參數(shù)如圖3 所示。

圖3 高位定向長(zhǎng)鉆孔布置內(nèi)錯(cuò)參數(shù)

2.3 定向長(zhǎng)鉆孔孔徑選擇

為考察不同孔徑瓦斯抽采效果，12506 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)絕對(duì)瓦斯涌出量18～24m3/min，頂板定向長(zhǎng)鉆孔需要解決的瓦斯純量為12m3/min，鉆場(chǎng)抽采濃度按照15%計(jì)算，鉆場(chǎng)抽采混量需要達(dá)到80m3/min, 則需布置3 個(gè)φ120mm 鉆孔、1 個(gè)φ165mm 鉆孔、1 個(gè)φ203mm 鉆孔既能滿足需要。因此此次設(shè)計(jì)1、2、3#鉆孔孔徑為120mm，4#鉆孔孔徑203mm，5#鉆孔孔徑165mm，孔深410m。

3 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工情況

3.1 鉆探設(shè)備

采用ZYL-17000D 型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)，適用于巖石堅(jiān)固性系數(shù)f≤10 的巖層和部分煤層。鉆機(jī)配套YSX15 礦用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，可隨鉆測(cè)量鉆孔傾角、方位角、工具面向角等主要參數(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)和軌跡的實(shí)時(shí)顯示，并及時(shí)調(diào)整彎頭方向和工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確鉆進(jìn)。

螺桿馬達(dá)采用φ89mm 螺旋槽螺桿馬達(dá)，無磁鉆桿采用φ89mm 螺旋槽無磁鉆桿。定向鉆桿使用螺旋槽通纜鉆桿，鉆桿φ89mm，長(zhǎng)度3m；配套定向鉆頭使用直徑120mm 胎體式平底鉆頭或四翼弧形鉆頭。采用螺旋槽通纜鉆桿和擴(kuò)孔外平鉆桿水排渣，定向鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝。

3.2 鉆孔竣工情況

5 個(gè)頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔施工工期32 天，6 月3 日開始施工，7 月4 日施工結(jié)束，共計(jì)施工5 個(gè)鉆孔，其中1、2、3#鉆孔孔徑為120mm，工程量1233米；4# 鉆孔孔徑Ф203mm，工程量393m；5# 鉆孔孔徑Ф165mm，工程量411m；合計(jì)有效工程量2037m。

圖4 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工軌跡剖面圖

4 采空區(qū)抽采瓦斯治理效果分析

5 個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔施工完畢后，統(tǒng)一連接抽采，此時(shí)工作面已回采至一半，采空區(qū)區(qū)域較大，隨著頂板周期來壓頂板裂隙發(fā)育充分，抽采通道形成，采空區(qū)抽采瓦斯流量以及抽采濃度一直保持在較高的水平。抽采初期1#至5#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)變化曲線如圖5～圖9 所示。

可以看到，5 個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采濃度14%～22%，抽采混合流量12～19m3/min，單孔抽采瓦斯純量約為2.5～5.0m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采效果良好，其中以5#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果最佳。隨著工作面繼續(xù)向前推采，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采量進(jìn)一步增加，上隅角甲烷濃度由原來0.5%左右，下降至0.4%左右，工作面安全生產(chǎn)得到有效保障，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采流量與上隅角濃度關(guān)系如圖10 所示。

圖6 2#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖7 3#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖8 4#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖9 5#高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖10 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采流量與上隅角濃度關(guān)系

象山礦井試驗(yàn)回采工作面采用“本煤層鉆孔抽放+ 頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔抽放+ 風(fēng)排瓦斯治理模式”。5 個(gè)頂板定向長(zhǎng)鉆孔合計(jì)抽采瓦斯純量19.74m3/min 而試驗(yàn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量27.34m3/min，因此5 個(gè)頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽采比重占比工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量72%。通過施工頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，工作面省去了普通高位鉆孔和采空區(qū)埋管抽采措施，節(jié)省大量人力和成本。

1#鉆孔布置在回風(fēng)巷巷道正上方，考慮受巷間保護(hù)煤柱影響靠近回風(fēng)順槽采空區(qū)一側(cè)的頂板不能及時(shí)垮落，裂隙帶和冒落帶高度低，鉆孔布置層位選擇較低；同時(shí)鉆孔布置在回風(fēng)巷正上方使得鉆孔抽采負(fù)壓點(diǎn)在上隅角上部，可有效攔截采空區(qū)漏風(fēng)帶出的瓦斯；在鉆場(chǎng)抽采末期2#～5#鉆孔抽采效果下降的情況下，1#鉆孔攔截采空區(qū)漏風(fēng)帶出的瓦斯治理效果最為明顯。

5 結(jié) 論

1）依據(jù)上覆巖層的“三帶”分布，頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔的位置選擇在裂隙帶中下部鄰近層裂隙發(fā)育密集層位、瓦斯富集區(qū)。通過瓦斯抽采效果試驗(yàn)驗(yàn)證，象山礦井5#煤層回采后，頂板定向長(zhǎng)鉆孔布置層位高度應(yīng)在約8～10 倍采高層位，即采空區(qū)瓦斯富集區(qū)。

2）通過對(duì)5 個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果試驗(yàn)研究分析，回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量18～24m3/min， 頂 板 定 向 長(zhǎng) 鉆 孔 設(shè) 計(jì) 長(zhǎng) 度 在350～450m，鉆孔布置層位高度20～22m，水平內(nèi)錯(cuò)距離0～45m，鉆孔孔徑不低于120mm，抽采負(fù)壓在15kPa 以上，即能滿足回采工作面瓦斯治理需要。

3）通過進(jìn)行5#煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)應(yīng)用研究，5#煤層回采工作面在仰角高位裂隙鉆孔和上隅角埋管全部停抽情況下，實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)量增加；工作面上隅角瓦斯?jié)舛扔纱饲伴L(zhǎng)期維持在0.7%降至0.4%左右，實(shí)現(xiàn)了替代普通高位裂隙鉆孔和采空區(qū)埋管抽采措施的目標(biāo)。