彭建輝

（晉能控股煤業(yè)集團三元煤礦，山西 長治 054000）

瓦斯治理一直以來是礦井安全生產(chǎn)建設(shè)的重要一環(huán)，三元煤業(yè)3#煤層整體特質(zhì)為透氣性低，進而嚴重制約了瓦斯抽采濃度和抽采量，這些不利條件遏制了瓦斯的抽采工作。為提高瓦斯抽采效率，對工作面上覆巖層瓦斯抽采進行分析研究，最大限度地降低上隅角瓦斯?jié)舛萚1-8]。

1 工作面概況

（1）4302 回采工作面采用放頂煤開采方式，可采長度1001 m，切眼長度220 m，平均煤厚為7 m，采3 m 煤層，放4 m 頂煤。2012 年該礦鑒定為高瓦斯礦井，礦井相對瓦斯涌出量3.07 m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量14.80 m3/min，回采面絕對瓦斯涌出量4.64 m3/min，掘進面絕對瓦斯涌出量4.16 m3/min。最大瓦斯含量7.37 m3/t。

（2）4302 工作面回采期間主要瓦斯涌出來源為落煤瓦斯涌出，受“U”型通風(fēng)方式所限，上隅角瓦斯呈紊流狀態(tài)，無法及時有效進行排放，進而引起工作面上隅角瓦斯?jié)舛染痈卟幌隆?/p>

（3）在工作面回風(fēng)順槽布置定向鉆場，在鉆場內(nèi)打設(shè)高位鉆孔。選取工作面上覆巖層最佳抽采高度和距回風(fēng)順槽最佳水平距離，最大限度抽采出工作面煤層內(nèi)瓦斯，將工作面瓦斯?jié)舛冉档偷阶罴鸦夭蓾舛认薅戎畠?nèi)，保證工作面安全生產(chǎn)。

2 實驗定向千米鉆孔選型

（1）三元煤礦引進深孔定向千米鉆機，型號為ZDY-6000LD。通過鉆桿上自帶馬達定向驅(qū)動裝置及配套電腦測量精準開孔定向技術(shù)進行鉆進，克服了鉆孔鉆進距離不精準的問題。

（2）千米定向鉆機鉆進基本原理為：通過開啟高壓水進入鉆桿前端孔內(nèi)馬達驅(qū)動系統(tǒng)，馬達內(nèi)部驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子在高壓水的強力沖擊作用下開始工作，馬達前端的內(nèi)部軸承帶動鉆機前端的鉆頭進行旋轉(zhuǎn)。在定向鉆機鉆進過程中，鉆桿本身不進行旋轉(zhuǎn)，馬達前端的鉆頭進行旋轉(zhuǎn)運動，進而降低鉆機的負載程度。馬達驅(qū)動系統(tǒng)可精準按照設(shè)計要求進行鉆進打孔。

3 定向鉆機鉆孔施工設(shè)計

試驗工作面為4302 工作面3#定向鉆場，定向鉆場距離4302 工作面切眼400 m 位置處，總計設(shè)計布置10 個頂板裂隙定向長鉆孔。設(shè)計鉆孔長度為375～430 m，垂直煤層頂板，高度平均分布在30～45 m 之間，距離回風(fēng)順槽水平距離為12～60 m之間。

鉆孔設(shè)計參數(shù)如圖1 所示。

圖1 4302 工作面頂板定向長鉆孔橫剖面圖

4 定向鉆機施工工藝流程

（1）工序流程：鉆場開掘→鉆孔設(shè)計→移機定位→鉆機開孔→組裝鉆具→定向鉆進→成孔驗收→注漿封孔→聯(lián)孔抽采→數(shù)據(jù)采集。

（2）鉆場開掘：按照設(shè)計要求先行在回風(fēng)順槽距切眼400 m 處位置開掘鉆場，長度10 m、深度6 m 鉆場一個。

（3）鉆孔設(shè)計：根據(jù)回采工作面回采經(jīng)驗，取距煤層4～6 倍采高經(jīng)驗系數(shù)為鉆孔設(shè)計依據(jù)，具體鉆孔設(shè)計參數(shù)如圖1 所示。

（4）移機定位：按照鉆孔設(shè)計的方位角和傾角固定鉆機，鉆機前方距離開孔點煤壁的距離不小于1 m，分上下兩排打設(shè)鉆孔，下排鉆孔開孔高度為2.5 m，上排鉆孔開孔高度為3.0 m。

（5）鉆機開孔：定向鉆孔采用Φ153 mm 鉆頭配套螺桿鉆具直接開孔后定向鉆進，成孔退出。為保證瓦斯抽采效果，進行全長段下設(shè)鋼篩管，鋼篩管直徑為84 mm，隨后下入Φ108 mmPVC 封孔管進行注漿。

（6）組裝鉆具：首先把馬達、DGS 和隔離鉆桿、CHD 鉆桿按順序組裝，連接處加螺紋緊固劑；然后進入開新孔設(shè)置界面，拖出馬達，校對彎頭方向，確認彎頭方向為12 點；最后記錄第一次測量數(shù)據(jù)。

（7）鉆孔定向鉆進：每6 m 進行一次測量，與定向鉆孔鉆進的軌跡進行對比，根據(jù)馬達驅(qū)動裝置鉆進偏移情況調(diào)整馬達鉆頭鉆進方向。施工至設(shè)計深度后進行充分洗孔，洗孔時間不得少于30 min，以見清水為沖洗最終標準。

（8）驗收：定向鉆孔驗收以現(xiàn)場清點鉆桿數(shù)量和鉆孔記錄視頻錄像為準?，F(xiàn)場驗收后施工單位及時將已打設(shè)完成的鉆孔現(xiàn)場驗收表、現(xiàn)場鉆孔鉆進記錄表、鉆孔參數(shù)測量數(shù)據(jù)、鉆孔鉆進軌跡等資料復(fù)印件交驗收負責(zé)人審核簽字。

（9）注漿封孔：鉆孔采用“兩堵一注”的封孔技術(shù)，鉆孔封孔壓力不得小于1.0 MPa，注漿料10 袋，一袋注漿料重25 kg，封孔長度30 m，鉆孔采用Φ108 mmPVC 進行封孔。封孔時注漿管及排氣管選用Φ16 mm 的鋁塑管。

5 定向鉆孔抽采效果圖

（1）通過持續(xù)一個月對工作面定向鉆場的瓦斯抽采鉆孔進行參數(shù)測定，從圖2～圖3 可以得出，根據(jù)工作面推算頂板初采垮落步距為40 m，在老頂垮落之前4#、5#、6#、7#瓦斯抽采濃度始終保持在40%以上，當(dāng)頂板全部跨落后，3#、4#、9#瓦斯抽采鉆孔濃度有所回落。通過參數(shù)測定可知，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采量始終處于穩(wěn)定狀態(tài)的鉆孔為7#鉆孔和8#鉆孔，其他8 個鉆孔濃度雖然均保持在10%以上，但瓦斯抽采純量表現(xiàn)不佳，1#、2#、9#、10#鉆孔沒有流量，3#、4#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采混量始終保持在0.002～0.006 m3/min 之間。從當(dāng)前瓦斯抽采鉆孔參數(shù)測定數(shù)據(jù)可知，7#和8#瓦斯抽采鉆孔在頂板初次垮落后，瓦斯抽采純量和瓦斯抽采濃度處于穩(wěn)定水平，其他鉆孔均有不同程度的降低甚至無參數(shù)。

圖2 1#～5#定向長鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪孔兓€圖

圖3 6#～10#定向長鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪孔兓€圖

（2）瓦斯抽采鉆孔濃度偏低的原因為鉆孔擴孔工程受工期影響，未完成整體全長段擴孔，鉆場接抽至高負壓管路，導(dǎo)致抽采負壓不足，高位定向鉆孔受頂板應(yīng)力影響內(nèi)部塌孔較為嚴重。同時，抽采鉆孔導(dǎo)流管內(nèi)均存在不同程度的煤渣堵孔口的問題、封孔器孔口不同程度存在積水未及時抽出問題。m3/min 左右。通過上述實驗說明，3#定向千米鉆場的10 個頂板裂隙定向鉆孔中抽采效果最好的為7#及8#鉆孔，而1#～4#鉆孔由于孔徑為98 mm 可能存在塌孔堵塞情況，9#及10#鉆孔層位較高，導(dǎo)致頂板定向長鉆孔整體抽采效果不佳，無法起到控制上隅角的作用。

6 4302 工作面3#定向鉆場7#和8#鉆孔軌跡圖

（1）從圖4～圖7 可以看出，在老頂垮落之前，頂板定向鉆孔雖然有抽采濃度但是瓦斯抽采量很小，瓦斯抽采濃度在老頂未垮落之前始終保持在40%～60%之間，單孔瓦斯抽采鉆孔混量較小，始終保持在0.002～0.006 m3/min 之間。當(dāng)回采工作面回采至距切眼40 m 位置后，老頂開始初次垮落，老頂來壓顯現(xiàn)。隨著老頂?shù)某醮慰迓洌咚钩椴摄@孔抽采量大幅度提高。從各個鉆孔抽采量來看，抽采量和瓦斯抽采濃度比較穩(wěn)定的是7#鉆孔及8#鉆孔，單孔抽采純量在1.5～2.5 m3/min 之間，瓦斯抽采濃度保持在30%～45%之間。其他鉆孔的抽采量極不穩(wěn)定，而且大部分時間段抽采量非常少，近乎為0。初步判斷有兩個原因：一是鉆孔垮落后裂隙帶區(qū)域在此高度形成充分抽采裂隙通道，二是鉆孔內(nèi)部存在塌孔現(xiàn)象。從當(dāng)前的抽采效果可以看出，7#孔主孔高度為35 m，8#鉆孔主孔為45 m，初步可確定距頂板上35～45 m 為裂隙發(fā)育帶。

圖4 4302 工作面7#鉆孔內(nèi)錯距離設(shè)計與實際成孔圖

圖5 4302 工作面7#鉆孔垂高設(shè)計與實際成孔圖

圖6 4302 工作面8#鉆孔內(nèi)錯距離設(shè)計與實際成孔圖

圖7 4302 工作面8#鉆孔垂高設(shè)計與實際成孔圖

（2）為了探明其他鉆孔抽采流量較低是不是因為受7#鉆孔及8#鉆孔的影響，只打開7#鉆孔及8#鉆孔后，得出結(jié)論，在只打開7#鉆孔和8#鉆孔抽采時混合流量在20 m3/min 左右，濃度為35%左右，抽采純量為7 m3/min 左右，而關(guān)閉了7#～10#鉆孔，只打開1#～6#鉆孔時，總瓦斯抽采混量僅為5.5 m3/min 左右，濃度為45%左右，瓦斯抽采純量在2.5

7 結(jié)論

（1）通過對三元煤礦3#煤層上覆“三帶”進行研究，發(fā)現(xiàn)瓦斯主要涌出通道為上覆巖層垮落后形成的裂隙帶“O”型空間區(qū)域，故需從上覆“O”型裂隙帶進行瓦斯抽采，方可解決工作面上隅角瓦斯涌出問題。上隅角瓦斯通過上覆巖層抽采通道形成抽采負壓，進而減少向采空區(qū)涌出的瓦斯量。通過打設(shè)定向鉆孔，將定向鉆孔打設(shè)至裂隙帶涌出通道內(nèi)，進行瓦斯抽采，達到控制回采工作面上隅角瓦斯的目的。

（2）通過以上試驗可知，3#定向鉆場中抽采效果較好的為7#和8#定向鉆孔，7#孔主孔距煤層頂板高度為35 m，距順槽水平距離為50 m；8#鉆孔主孔距煤層頂板高度為45 m，距順槽水平距離為50 m。因此可知，三元煤礦4302 工作面最佳瓦斯抽采“O”型裂隙帶區(qū)域為距煤層頂板垂距35～45 m，距順槽水平距離為50 m，該區(qū)域為瓦斯涌出最大通道。通過以上試驗，為三元煤礦后續(xù)鉆場抽采奠定了堅實基礎(chǔ)。