陳曉永

（冀中能源 峰峰集團公司，河北 邯鄲 056107）

1 概 況

峰峰集團所屬礦井位于峰峰礦區(qū)，峰峰礦區(qū)位于邯鄲市西部及西南部，行政區(qū)劃屬于峰峰礦區(qū)、磁縣、武安市。峰峰礦區(qū)地理位置位于太行山東部邊緣，煤層發(fā)育時代為石炭—二疊系，地質構造條件及水文地質條件十分復雜。礦區(qū)內有2、4、6、7、8、9 六層可采煤層，其中7、8、9 號煤層和深部6 號煤層受煤層基底厚約600 m 的奧灰含水層威脅不能開采，現只開采2、4 和淺部6 號煤層。本部現有生產礦井10 對，其中煤與瓦斯突出礦井6對，高瓦斯礦井1 對，突出礦井占一半以上。所屬礦井煤層瓦斯含量為2 ～22 m3/t，瓦斯壓力為0.1～1.5 MPa，瓦斯涌出絕對量260 m3/min 左右。隨著采深的繼續(xù)加大，瓦斯含量和壓力也隨之增加[1]。

2 瓦斯抽采高位定向長鉆孔技術

根據鉆孔自然彎曲的特點或使用專用工具，使鉆孔軌跡按照人們預先設計好的路徑，鉆進特定目標點的一種鉆探方法被稱為井下鉆孔定向鉆進技術[2-6]，即有目的地把鉆孔軸線按設計要求在彎與直之間來回轉換。

高位定向長鉆孔實質就是依靠井下定向鉆進系統(tǒng)，在采空區(qū)上覆巖層的裂隙帶內平行穩(wěn)定的打通一條抽采瓦斯的通道。在采面進行生產工作時，高位定向長鉆孔運用裂隙帶內因采動作用而充分發(fā)育的破裂、離層裂隙去抽采鄰近層與采空區(qū)匯集于此的大量瓦斯[7-10]。抽采形式如圖1 所示。

圖1 高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意Fig.1 Gas extraction in goaf by high directional long borehole

3 復雜巖層高位定向鉆孔立體抽采技術

3.1 鉆孔合理布設層位與寬度優(yōu)化分析

高位定向鉆孔抽采上隅角瓦斯的機理是將鉆孔終孔位置布設在煤層頂板上的冒落帶頂部與裂隙帶中下部的“O”型圈內，以抽采上隅角積聚的瓦斯降低回風巷瓦斯?jié)舛取ｃ@孔抽采效果關鍵在于終孔位置的選擇，因此鉆孔垂直層距和水平錯距的選擇至關重要。

3.2 垂直層距的確定

當工作面向前推采時，工作面后方的采空區(qū)沿垂直方向形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，暴露煤體所吸附的瓦斯不斷解吸，由于瓦斯的自然特性和進入到冒落帶以后受工作面通風壓力綜合作用，瓦斯氣體會偏向工作面上隅角的方向流動和沿著裂隙帶上浮。抽采采空區(qū)瓦斯，一般應把鉆孔布置在裂隙帶中。主要是因為裂隙帶瓦斯主要通過煤體或裂隙，以滲流的形式流入裂隙帶，受工作面通風影響較小，瓦斯?jié)舛纫草^大，另外鉆孔布置在裂隙帶，不易破壞，便于鉆孔長期穩(wěn)定地抽出高濃瓦斯。因此基于上覆巖層“三帶”發(fā)育情況和卸壓瓦斯運移規(guī)律，將瓦斯抽采鉆孔水平段的層位選擇布置在穩(wěn)定且導氣的裂隙帶中，不僅能夠提高瓦斯抽采濃度，保證抽采效果穩(wěn)定可靠，而且還能減少瓦斯積聚危險。

為了確保抽采鉆孔的穩(wěn)定性和抽采效果，基于數值模擬、理論計算和現場實測確定的冒落帶和裂隙帶高度，垂向上將鉆孔布置在煤層頂板上方12 ～46 m 處。

3.3 水平錯距的選取

采空區(qū)覆巖隨著工作面的不斷推進而不斷發(fā)生運移破斷，在關鍵層破斷形成的“砌體梁”結構的支撐下，采空區(qū)四周存在裂隙高度發(fā)育的“O”型圈?！癘”型圈內橫豎導通的裂隙為采空區(qū)瓦斯提供了富集空間和流動通道。甲烷是瓦斯的主要成分，其密度約為空氣密度的一半，在密度差的作用下，瓦斯沿裂隙通道向上升浮并在裂隙帶內富集。利用“O”型圈這一特性和采空區(qū)瓦斯運移特征，將鉆孔布置在裂隙圈的回風側。抽采鉆孔內錯回風巷的距離在抽采鉆孔布置層位距煤層底板的垂高為12 ～46 m 時，內錯回風巷的水平距離為8.7～68.3 m。

3.4 鉆孔參數的確定

根據礦井2 號煤工作面煤層頂板上覆巖層的力學性質參數得出裂隙帶的發(fā)育范圍和裂隙帶內瓦斯運移賦存規(guī)律，結合上述鉆孔垂距和平距設計原則，可優(yōu)化設計高位定向長鉆孔的布置空間參數，實現裂隙帶卸壓瓦斯的立體抽采（圖2）。鉆孔參數可以根據穿遇巖層地質情況和開采布置情況等適當調整。

圖2 高位定向孔立體抽采布孔示意Fig.2 Three-dimensional drainage of directional hole with high position

4 應用實例

4.1 高位定向孔施工情況

大淑村礦172107 工作面位于一采區(qū)深部，該工作面下伏各煤層均未開采。本煤層屬二疊系山西組地層，煤層賦存穩(wěn)定，一般厚5.4 m 左右，煤層上部一般為1 層夾矸，局部2 層，頂夾矸厚0.2 ～0.5 m，距煤層頂板0.3 ～0.5 m；平均走向長633 m，平均傾斜長145.5 m。工作面下伏野青煤保護層未開采，該工作面對應區(qū)域礦壓大、瓦斯含量較高，為5.96 m3/t。

該工作面先后進行了2 個鉆場的實驗，選取施工較為成功的3 號鉆場的施工布置為例。3 號鉆場布置在172107 上順槽210 號點位置，鉆孔開孔時距工作面推采位置520 m，該鉆場設計施工1 個鉆孔，為C1 號鉆孔，孔深510 m 左右，層位控制在2 號煤頂板以上18 m，1 號煤線下方穩(wěn)定砂巖層，鉆孔軌跡如圖3 所示，3 號鉆場定向鉆孔施工剖面如圖4 所示。

圖3 3 號鉆場定向鉆孔施工示意Fig.3 Directional drilling construction in No.3 drilling site

圖4 3 號鉆場定向鉆孔施工剖面圖Fig.4 Construction section of directional drilling in No.3 drilling site

4.2 抽采效果對比

172107 工作面3 號鉆場的定向長鉆孔施工結束后，及時進行了接抽并實時監(jiān)測。

在172107 工作面施工高位定向長鉆孔前，該工作面通過施工高位瓦斯鉆孔布孔工藝對采空區(qū)瓦斯進行抽采。

高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ热鐖D5 所示，瓦斯純量對比如圖6 所示。

從圖5 ～6 中可以看出，高位定向長鉆孔抽采瓦斯時，隨著高位定向鉆孔逐漸深入采空區(qū)，瓦斯抽采純量逐漸增大，然后穩(wěn)定在采空區(qū)瓦斯涌出量平均值附近。瓦斯抽采量除1 ～2 次突變外，整體上保持著較為穩(wěn)定的狀態(tài)。2018 年11 月平均瓦斯抽采濃度與平均瓦斯抽采純量分別約為24%和3.3 m3/min。

高位鉆孔抽采瓦斯時，瓦斯抽采純量在2017年9 月5 日～8 日達到最高值,約為3.3 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛冗_到最高值約為20%。而后兩者皆呈現出下降趨勢。其抽采瓦斯?jié)舛扰c抽采純量于2017 年9 月 12 日達到最低值，分別為 5.1%和0.56 m3/min。分析原因，主要是高位鉆場的有效抽采時段較短，隨著工作面推進，鉆孔逐漸落入冒落帶，會與工作面發(fā)生串風，抽采效果不穩(wěn)定。

圖5 高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.5 Comparison of gas extraction concentration between high directional drilling and ordinary high directional drilling

圖6 高位定向鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對比Fig.6 Comparison of gas extraction scalar volume between high-position directional drilling and ordinary high-position drilling

172107 工作面高位定向長鉆孔抽采瓦斯純量整體上大于高位鉆孔抽采瓦斯，雖然初期高位定向長鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞繘]有高位鉆孔增加的快，但是隨著工作面的持續(xù)回采，大直徑高位定向長鉆孔通過裂隙帶與采空區(qū)導通更加豐富，瓦斯抽采純量、抽采濃度持續(xù)增加，并進入穩(wěn)定抽采期；而普通高位鉆孔有效抽采孔段短，隨著高位鉆孔逐漸被工作面推過，瓦斯抽采純量、抽采濃度均迅速進入低位，并持續(xù)在低位徘徊。因此，通過172107 工作面的抽采試驗，大直徑高位定向長鉆孔完全可以替代高位瓦斯鉆孔，有效治理工作面采空區(qū)瓦斯，保證工作面安全生產。

4.3 高位定向長鉆孔替代高位瓦斯鉆孔實踐

羊東礦8272 回采工作面位于五二采區(qū)，工作面標高-572.6—-707.7 m。8272 工作面采用放頂煤采煤工藝，U 型通風方式。工作面走向長度1 010 m，傾向長178 m，工作面切眼靠近運料巷位置有68 ～82 m 位于未保護區(qū)，未保護區(qū)采取順層鉆孔預抽區(qū)域防突措施，工作面高頂鉆場正常抽采量為 3.5 ～ 4.2 m3/min。

此次共完成2 個高位定向鉆孔的施工，施工情況如圖7 所示，1 號孔距大煤頂板約為25 m，水平距離運料巷30 m 左右，2 號孔距大煤頂板約為35 m，水平距離運料巷30 ～80 m。鉆孔孔徑120 mm。

為驗證千米鉆場2 個鉆孔抽采效果，羊東礦于7 月29 日對鉆孔抽采情況進行了驗證試驗。試驗過程是將8272 運料巷高位鉆場在抽鉆孔全部關閉，對千米鉆場2 個鉆孔進行定時觀測（表1）。

圖7 羊東礦8272 工作面高位定向孔施工平面圖Fig.7 Construction plane of high directional hole in 8272 working face of Yangdong Mine

表1 8272 工作面定向鉆孔替代高頂鉆場抽采數據情況Table 1 Extraction data of directional drilling instead of high-top drilling field at 8272 working face

經過對比分析8272 工作面高位定向長鉆孔可以替代高頂鉆場作用，在徹底停抽高頂鉆場后，8272 工作面上隅角、采空區(qū)、回風等地點的瓦斯?jié)舛葲]有較大變化。后續(xù)8272 工作面保持停抽高頂鉆場近一個月時間，均沒有出現瓦斯異常情況。

表2 8272 工作面瓦斯變化情況Table 2 Changes of gas in 8272 working face

5 結 論

（1） 在采用高位定向鉆孔技術之前，工作面推采至原高位瓦斯抽采鉆孔交替段時，工作面瓦斯?jié)舛冉洺霈F波動，明顯增大，現利用高位定向長鉆孔避免了鉆孔交替布置時出現的瓦斯波動增大情況，有效解決了采場和上隅角瓦斯超限問題，為保證工作面安全回采，煤礦安全生產提供了有力的保證。

（2） 高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)覆巖卸壓瓦斯實踐表明，高位定向孔比普通高位鉆孔覆蓋范圍廣、抽采效果穩(wěn)定，可以代替普通穿層高位鉆孔抽采采空區(qū)卸壓瓦斯，經濟效益、安全效益和社會效益效果顯著。