吳晉軍

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部通風部，山西 晉城 048006）

煤層松軟破碎會給瓦斯抽采帶來巨大挑戰(zhàn)，由于煤層的堅固性系數(shù)小、易碎等特征，煤層吸附瓦斯的能力大，瓦斯在煤層中流動變得困難，煤層的塑性增加導(dǎo)致在煤層中鉆孔很難成孔，多重負效應(yīng)疊加造成賦存此類煤層的礦井瓦斯等級多為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，其瓦斯治理的工程量大且抽采效率低，防治煤與瓦斯突出的難度極具挑戰(zhàn)性[1-4]。

為有效解決松軟低透煤層的瓦斯抽采問題，較多礦井不得不放棄在煤層中施工鉆孔的常規(guī)技術(shù)方法，采用資金投入量大、經(jīng)濟效益低且工程量巨大的頂?shù)装鍘r石巷道工程，采用穿層鉆孔對煤層進行預(yù)抽采[5-7]。 文崇[8]通過穿層定向長鉆孔解決下鄰近層的瓦斯涌出問題，在馬蘭礦的底抽巷施工了孔長達到610 m 長的定向長鉆孔，有效解決了掘進面的瓦斯問題。陳強[9]針對回采工作面的瓦斯問題，提出了施工100 m 以上的定向高位鉆孔，研究了高位鉆孔的布孔參數(shù)等問題，解決工作面回采期間的瓦斯問題。 康奇岳[10]、孟祥輝[11-12]等針對定向鉆機實現(xiàn)大功率高效鉆進問題，對鉆機的裝置進行了攻關(guān)研究，研制了適應(yīng)松軟煤層的大功率鉆機。較多學者[13-15]分析了順層鉆孔在松軟破碎煤層中塌孔的機理和防塌孔的護孔技術(shù)，研究了透氣性低條件下采用增透技術(shù)提高瓦斯抽采效果的技術(shù)方法。 但針對松軟低透煤層，采用普通的定向鉆機無法施工長鉆孔，普通鉆機雖可實現(xiàn)短距離的鉆孔覆蓋，但存在無法測量鉆孔軌跡的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致瓦斯抽采空白區(qū)等嚴重問題，給后續(xù)的采煤作業(yè)帶來巨大安全隱患。 為此，本文以長平礦松軟低透煤層的瓦斯治理為例，提出了采用大功率定向長鉆孔對煤層進行超前預(yù)抽采的技術(shù)思路，以實現(xiàn)逐步取代底抽巖巷穿層鉆孔抽采瓦斯的目的。

1 礦井瓦斯治理模式

1.1 煤層特征

長平礦證載生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a，為高瓦斯礦井。 礦井煤層埋深較大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦井井田范圍內(nèi)大小斷層達到800 個以上，陷落柱達到1 200 個左右。受煤層埋深及地質(zhì)構(gòu)造等賦存環(huán)境的影響，煤層呈“三高”、“三多”、“三軟”、“一低”特征，即高瓦斯含量、高瓦斯壓力、高地應(yīng)力；斷層多、陷落柱多、含水層多；煤層軟、頂板軟、底板軟；透氣性低。

經(jīng)實驗室測定，3 號煤層平衡水分條件下的Langmuir 體積19.80～30.17 m3/t，平均25.74 m3/t，空氣干燥基Langmuir 體積為27.12～35.34 m3/t，平均32.17 m3/t，Langmuir 壓力為1.53～2.63 MPa，平均1.81 MPa。 現(xiàn)采掘區(qū)域的3 號煤層最大埋深超過800 m，煤層原始瓦斯含量最高達22.8 m3/t。鏡質(zhì)組最大反射率在2.45%～3.04%之間，平均為2.77%，屬于高階煤范疇。煤層在多期構(gòu)造疊加應(yīng)力的破壞下，原生結(jié)構(gòu)煤演變?yōu)槔馑槊汉兔永饷海后w剪切變形強烈，煤體以破裂結(jié)構(gòu)為主。

1.2 礦井瓦斯治理模式

長平礦采用地面井抽采為主、 井下瓦斯治理補充的綜合治理模式。 針對瓦斯含量較高的西部區(qū)域采用地面井先行預(yù)抽，聯(lián)合井下瓦斯抽采；針對瓦斯含量較低的東部區(qū)域以井下抽采為主。 井下回采面采用本煤層順層鉆孔+ 底抽巷穿層鉆孔+ 千米鉆機定向高位鉆孔+ 普通鉆機中高位鉆孔聯(lián)合治理方案，即采用順槽底板穿層鉆孔預(yù)抽條帶煤巷瓦斯，工作面中部底板巖巷預(yù)抽工作面中部120～140 m 范圍內(nèi)的瓦斯，并在兩側(cè)順槽布置順層鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯，采用中高位鉆孔及頂板走向長鉆孔配合插管抽采采空區(qū)瓦斯。 工作面根據(jù)煤層瓦斯含量情況分別采用“一面三巷（1 巖2 煤）”或“一面四巷（2 巖2 煤）”布置，巖巷分別為順槽底抽巷和中部底抽巷。4306 綜采面采用“一面四巷（2 巖2 煤）”布置，如圖1 所示。

圖1 長平礦高瓦斯區(qū)域“一面四巷”瓦斯治理方式匯總

2 礦井現(xiàn)瓦斯治理措施存在的問題

雖然成熟的瓦斯治理模式可大幅度降低瓦斯工程量，但由于煤質(zhì)疏松破碎，鉆孔的覆蓋范圍極其有限，鉆孔塌孔導(dǎo)致成孔效果差，嚴重制約了礦井的抽掘采平衡，主要問題體現(xiàn)在：

1）鉆孔工程量大。 由于采用底抽巖巷及穿層鉆孔、順層短鉆孔掩護抽采的瓦斯治理方式，工程量巨大。 依據(jù)2020年的瓦斯抽采進尺和抽采量統(tǒng)計記錄，礦井施工的總進尺數(shù)達到180 萬m，年抽采瓦斯純量僅為5 000 萬m3，每米鉆孔的抽采量僅為0.000 053 m3/min，遠低于《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》中要求的0.1 m3/min 標準值。

2）工作面瓦斯抽采達標時間長。 長平礦順層鉆孔百米流量平均為0.006 8 m3/min，抽采效果差，抽采1年降低瓦斯含量約3 m3/t，穿層鉆孔較好，穿層鉆孔百米流量平均為0.025 m3/min，抽采1年降低瓦斯含量約8 m3/t，順層鉆孔和穿層鉆孔抽采不均衡（抽采效率1:2.7），順層預(yù)抽制約達標，同時，順槽掘進受底抽巷條帶預(yù)抽制約，工作面順層鉆孔施工滯后較長。

3）鉆孔抽采效果差。①順層鉆孔抽采方面，鉆機鉆進能力達到100～150 m，但塌孔嚴重；鉆進軌跡偏移距離大，見矸不合格率達50%以上；未采用隨鉆下篩管技術(shù)，下篩管深度不足80 m；順層鉆孔抽采濃度為18%～23%。 ②穿層鉆孔抽采方面，雖然穿層鉆孔預(yù)抽效果較順層鉆孔好，但抽采時間依然較長，無法滿足當前抽采銜接需要。③普通鉆孔瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓容^大，分析其原因主要有兩個。 第一個原因是由于鉆孔施工長度達不到設(shè)計深度要求，第二個原因是鉆孔下入護孔篩管的長度不同導(dǎo)致瓦斯抽采的流動性差異所致。

為解決上述瓦斯抽采難題，長平礦決定采用大功率定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)。

3 大功率定向長鉆孔預(yù)抽

3.1 鉆機性能參數(shù)

長平礦在原有MK、ZDY 及YHD 等鉆機的基礎(chǔ)上，引進了適用于松軟破碎煤層的超長距離定向鉆孔施工的ZYL-17000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機，該鉆機具備大能力回轉(zhuǎn)器、大開口夾持器、超強動力與液壓系統(tǒng)等特性，并采用復(fù)合定向鉆進技術(shù)。 該鉆機的性能與普通定向鉆機的參數(shù)對比，如表1 所示。

ZYL-17000D 型鉆機額定扭矩達到6 000 N·m，是目前扭矩最大的鉆機之一，鉆進時，鉆桿不轉(zhuǎn)動，高壓泥漿泵驅(qū)動孔底馬達旋轉(zhuǎn)鉆進，通過隨鉆測量裝置反饋鉆孔軌跡，鉆孔軌跡實時顯示于防爆計算機，根據(jù)設(shè)計要求對鉆孔軌跡在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，達到定向鉆進的目的。

3.2 鉆孔施工

長平礦六盤區(qū)排矸巷施工穿層定向長鉆孔，掩護6302 首采面的順槽。 鉆孔施工：2021年6月21日～2021年7月13日，共計23 天，施工進尺1 168 m，最大孔深400 m。 定向鉆孔施工后的鉆孔軌跡，如圖2 所示。 水力沖孔：2021年7月22日～2021年8月18日，共計27 天，沖孔長度310 m，總返煤量186.04 m3，折算沖孔煤段孔徑約為0.88 m2（較原孔孔徑增大8 倍）。 下篩管：鉆桿內(nèi)下篩管，2021年8月20日～8月21日，共計2天，護孔長度400 m。 采用無線測量系統(tǒng)和三棱螺旋槽鉆桿實現(xiàn)長距離鉆進，BQWL200/31.5 型清水泵實現(xiàn)沖孔，φ40 mm 花管400 m 和φ50 mm花管100 m 實現(xiàn)護孔。

3.3 抽采效果

為了對比普通鉆孔和定向長鉆孔的瓦斯抽采效果差異，特選取長平礦六盤區(qū)排矸巷為實驗場地，分別施工了6 個定向鉆孔和6 個普通鉆孔，考察時間為100 d，數(shù)據(jù)來自風巷巷口抽采管路安設(shè)的瓦斯抽采監(jiān)控傳感器。 普通鉆孔與定向鉆孔的瓦斯抽采曲線，如圖3 所示。

圖3 普通鉆孔和定向鉆孔的抽采效果對比

從連續(xù)觀測的瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓梢钥闯?，鉆孔瓦斯?jié)舛群统椴闪孔兓椒€(wěn)，定向鉆孔的濃度保持在80%左右，瓦斯抽采純量保持在24 m3/min。 普通鉆孔瓦斯流量波動較大，多處于40%上下，鉆孔瓦斯流量保持在16 m3/min。 兩種鉆孔統(tǒng)計不同時間段的瓦斯流量，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 定向鉆孔與普通鉆孔的抽采量對比

從統(tǒng)計的結(jié)果可以看出，定向鉆孔在相同的抽采時間，抽采效率明顯高于普通順層鉆孔，以抽采第90 d 為例，定向鉆孔累計抽采純瓦斯量達145.36 萬m3，遠高于普通鉆孔的75.64 萬m3。 同時，可以發(fā)現(xiàn)，定向鉆孔在相同抽采時間，鉆孔的瓦斯流量仍涌出較大，而普通鉆孔的抽采量增長極為有限，這可能是普通鉆孔與煤層的溝通裂隙通道受限所致。

4 結(jié)論

1）ZYL-17000D 型定向鉆機可實現(xiàn)實時定位鉆孔軌跡特性，避免抽采盲區(qū)出現(xiàn)的同時，具備施工超長鉆孔的能力，為區(qū)域遞進式抽采提供了技術(shù)保障。 通過普通鉆機鉆孔和定向鉆孔的抽采效果對比，定向長鉆孔在施工工期、抽采效果上均明顯高于普通鉆孔。

2）通過定向鉆孔與普通鉆孔的抽采效果對比，定向鉆孔在相同的抽采時間，抽采效率明顯高于普通順層鉆孔，在相同抽采時間，定向鉆孔的瓦斯流量仍涌出較大，而普通鉆孔的抽采量增長極為有限，這可能是普通鉆孔與煤層的溝通裂隙通道受限所致。