王 佳

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

采空區(qū)瓦斯作為礦井瓦斯的主要來源之一，一直是煤礦瓦斯治理的重點和難點[1]。長期以來，我國煤礦治理采空區(qū)瓦斯常用的方法主要有地面鉆孔法、尾巷法、埋管法、頂板高抽巷法、普通高位鉆孔法等，雖然取得了不錯的治理效果，但普遍存在投資成本較高、維護費用大、抽采時間相對較短、管理困難等缺陷[2]。

工作面推進后，后方的上覆巖層垂向上垮落形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。隨著時間的延長，上覆巖層運動逐漸穩(wěn)定，中部的裂隙會趨于壓實而消失，而采空區(qū)四周邊緣由于受到煤柱的支撐作用，會形成一個存在大量裂隙、連續(xù)的瓦斯運移通道，即“O”形圈[3]?！癘”形圈能夠長期存在，其內(nèi)部裂隙中賦存大量瓦斯，該理論對抽采臨近層瓦斯治理提供了指導?；诟呶欢ㄏ蜷L鉆孔瓦斯抽采技術的原理：采用定向鉆進技術，將鉆孔施工至裂隙帶，導通“O”形圈裂隙，從而保證工作面回采過程中，高位定向長鉆孔始終處于裂隙帶范圍內(nèi)，利用抽采負壓引流采空區(qū)瓦斯，進而達到降低工作面、上隅角和回風巷瓦斯?jié)舛鹊哪康腫4]。眾多學者對高位定向鉆孔做了大量研究：閆保永[5]通過對高位定向鉆孔與普通穿層鉆孔抽采效果的比較，得出“高位定向鉆孔抽采效果更顯著，有效孔段和抽采時間相對更長、抽采濃度更高”的結(jié)論；胡良平[6]分析了高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果主控因素及影響規(guī)律，提出了適用高位定向長鉆孔的條件；洪建俊[7]等在桃園礦復雜巖層中成功實現(xiàn)最大孔深為 956 m 的高位定向鉆孔，并取得了良好的瓦斯抽采效果，為高位定向長鉆孔技術的應用積累了寶貴經(jīng)驗。

1 工作面概況

大淑村礦172107工作面回采2號煤層，走向長677 m，傾斜長205 m，煤厚約5.4 m，煤層傾角平均23°，工作面呈東西向，橫跨于寬緩背斜(77′孔背斜)的傾伏端。背斜軸位于工作面中部，軸向NE5°，背斜西翼煤巖層走向NE40°-60°，傾向NW，傾角11°～32°，東翼煤巖層走向SE60°-100°，傾向NE為主,傾角14°～26°。

工作面回采2號煤層，頂板巖層復雜，影響鉆孔施工：頂板巖層中賦存有煤線，煤質(zhì)比較松軟，以往施工過程中，受鉆具振動和沖洗液的共同影響，煤線容易垮落形成破碎帶，給施工帶來困難；且頂板巖層多為粉砂巖、細砂巖交互地層，鉆孔施工中粉砂巖近似于泥巖，存在縮徑或者塌孔的風險，粉砂巖中還含有菱鐵礦結(jié)核，造成鉆頭磨損；在斷層等構造帶處，巖層受到擠壓，巖石破碎，施工鉆孔穿過斷層時，易出現(xiàn)塌孔；地層沿推進方向為一背斜構造, 剖面上鉆孔為“∩”型，導致鉆孔部分孔段在目標層位中延伸時整體呈負角度走勢,影響鉆孔鉆屑的及時排出，不利于施工。

2 工程應用

2.1 高位定向長鉆孔參數(shù)設計

鉆場布置在172107回風巷210號點處，鉆孔開孔時距工作面推采位置520 m。本次試驗設計施工4個高位定向長鉆孔，距回風巷分別為10 m、20 m、30 m和40 m。根據(jù)經(jīng)驗公式計算得，垂向上鉆孔布置層位為煤層頂板上方12～46 m處，內(nèi)距回風巷的水平距離8.7～68.3 m。

2.2 鉆進設備

工程采用回轉(zhuǎn)鉆進方法開孔、擴孔與定向鉆進方法施工鉆孔相結(jié)合的鉆進方法，所用的定向鉆機為ZDY12000LD，該鉆機內(nèi)的基本設備有控制室、防爆型計算機、泵車等，能夠使鉆孔在較硬巖層內(nèi)進行定向鉆進施工。在開孔段使用D89 mm螺旋鉆桿串+D120 mmPDC鉆頭組合，在擴孔段使用D89 mm螺旋鉆桿+D153 mmPDC鉆頭組合，下套管時使用D146 mm孔口管，下至穿過煤層。鉆頭采用D120 mm平底定向鉆頭，該類鉆頭硬度大且不易磨損，碾碎巖塊效果好，鉆進施工中，經(jīng)常與螺桿鉆具結(jié)合，同時在穿煤層后的孔段擴孔和主孔段施工完成以后使用擴孔鉆頭。

在施工定向長鉆孔時，為保證實際軌跡按照預設軌跡進行施工，以6 m為測量步距監(jiān)測打孔參數(shù)，發(fā)現(xiàn)軌跡偏離，立即糾偏。

2.3 高位定向長鉆孔工程應用

采用精確的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料注漿加固破碎帶、下套管技術等措施，克服了復雜巖層對施工的影響，共施工4個高位定向長鉆孔。

1號鉆孔：開孔傾角10°，開孔方位85.2°，垂高距2號煤層頂板18 m，距離巷幫10 m，孔口段下套管護孔。鉆進至60 m處出現(xiàn)塌孔，根據(jù)巷道平面圖顯示，此處存在斷層，選擇采用專用封孔材料注漿穿過斷層破碎帶。在308～318 m處，鉆孔進入粉砂巖段，出現(xiàn)塌孔，無法通過，采用排渣能力強的外螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統(tǒng)，成功穿過粉砂巖段。鉆進至378 m處，砂巖層恢復初始產(chǎn)狀，鉆孔高度距頂板約16.7 m，后保持在距頂板約17 m高度施工，鉆孔穩(wěn)定在砂巖中，終孔深度538 m，進入采空區(qū)。

2號鉆孔：距離巷幫20 m，采用大角度開孔穿越1號煤線，鉆進至354 m，地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，鉆孔進入粉砂巖段，出現(xiàn)塌孔。

3號鉆孔：距離巷幫30 m，無法通過，采用螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統(tǒng)成功穿過，終孔深度513 m，進入采空區(qū)，設計高度在煤層上方30 m。

4號鉆孔：終孔深度473 m，進入采空區(qū)，該孔施工距離2號煤層頂板約35 m，平面距巷幫40 m。

2.4 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工結(jié)束后，及時進行接抽并實時監(jiān)測，連續(xù)記錄高位定向長鉆孔和之前普通高位鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，并繪制鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量對比圖(圖1和圖2)。

圖1 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

圖2 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對比

從圖1和圖2可以看出，172107工作面在回采初期高位定向長鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞勘绕胀ǜ呶汇@孔增加得慢，但是隨著工作面的不斷推進，高位定向長鉆孔導入裂隙帶的孔段增加，與采空區(qū)導通更加豐富，瓦斯抽采純量與抽采濃度不斷增加，并進入穩(wěn)定抽采期；而隨著工作面推進，普通高位鉆孔有效抽采孔段逐漸縮短，瓦斯抽采純量和抽采濃度均迅速進入低位，并持續(xù)在低位徘徊。在采用高位定向長鉆孔技術治理瓦斯之前，工作面推進至普通高位鉆孔交替段時，工作面瓦斯?jié)舛冉?jīng)常出現(xiàn)波動，瓦斯?jié)舛让黠@增大，現(xiàn)利用高位定向長鉆孔有效避免了鉆孔交替布置時出現(xiàn)的瓦斯?jié)舛仍龃蟋F(xiàn)象，保證了工作面安全回采。

3 結(jié) 語

1) 針對復雜巖層破碎帶、構造、地層負傾角等問題，采用精準的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料等技術，成功施工了高位定向長鉆孔，形成了復雜巖層高位定向長鉆孔施工工藝。

2) 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔相比，抽采覆蓋范圍更廣，抽采時間更長，無瓦斯波動增大現(xiàn)象，可以替代普通高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯。