李棟龍

（太原市宏宇煤炭技術(shù)咨詢(xún)有限公司，山西太原 030000）

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，瓦斯賦存量越來(lái)越大，瓦斯含量和瓦斯壓力越來(lái)越高，掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量也不斷增大，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。目前礦井除利用通風(fēng)方式稀釋巷道采掘空間內(nèi)涌出的瓦斯以外，需要利用抽采的方式解決煤層瓦斯，但受煤層賦存狀況影響，煤層賦存起伏不定，傾角變化大，普通履帶鉆機(jī)因無(wú)定向鉆進(jìn)功能，鉆孔往往無(wú)法按設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，存在空白帶，給瓦斯治理帶來(lái)困難。長(zhǎng)距離定向鉆孔可控制鉆孔軌跡，使鉆孔到預(yù)定位置，與常規(guī)鉆機(jī)相比，定向鉆機(jī)可以根據(jù)煤層賦存起伏隨時(shí)對(duì)鉆孔角度進(jìn)行調(diào)整，且施工距離長(zhǎng)，確保瓦斯治理效果。本文以曹家山礦為研究對(duì)象，采用長(zhǎng)距離定向鉆孔技術(shù)治理15105、80105采煤工作面上隅角瓦斯，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法分析長(zhǎng)距離定向鉆孔的瓦斯抽采效果。

1 礦井概況

曹家山礦位于山西呂梁柳林縣城東南7km處曹家山村一帶，井田面積8.45km2，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力90×104t，可采煤層共有開(kāi)采4#、8#、9#煤層，80103 工作面現(xiàn)主要開(kāi)采8#煤層，煤層平均厚度5.9m，平均傾角4°。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量85.77m3/min，綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量47.21m3/min，為高瓦斯礦井，且煤層透氣性差，鉆孔瓦斯抽采濃度衰減快，抽采難度大；為此研究提出采用定向鉆進(jìn)工藝，主要解決回采工作面上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。

1.1 工作面地質(zhì)概況

80103 工作面長(zhǎng)約2750m，傾向長(zhǎng)度約200m。DBF4正斷層位于工作面，走向210°、傾向120°、傾角50°，落差2～5m。構(gòu)造影響范圍內(nèi)出現(xiàn)煤層松軟，裂隙發(fā)育，頂板巖石破碎、煤巖層產(chǎn)狀變化較大、瓦斯涌出異常等現(xiàn)象。

80105 工作面位于礦井東北部，西起80105 軌道巷，東至井田邊界510～575m處，北距井田邊界最小距離247m，南部為80103 工作面采空區(qū)，其保護(hù)煤柱為8m；80105 工作面210～1010m 推進(jìn)范圍內(nèi)南側(cè)為其工作面采空區(qū)；80105 工作面周邊無(wú)其他采掘工作面分布。80105工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度4.6～5.6m，膠帶運(yùn)輸順槽厚于軌道運(yùn)輸順槽，平均厚度4.6m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸發(fā)育，煤層穩(wěn)定可采[4]。

1.2 煤層瓦斯賦存情況

從曹家山礦8#煤層瓦斯地質(zhì)圖可知，預(yù)計(jì)該巷所在8#煤層范圍內(nèi)瓦斯含量在4.0～6.0m3/t，瓦斯壓力為0.3～0.4MPa，根據(jù)15110 兩條順槽掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況預(yù)計(jì)，80103 膠帶順槽掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量2.7m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量0.68m3/t。8#煤層透氣性系數(shù)為0.089～0.094m2/（MPa2·d），小于0.1m2/（MPa2·d），屬較難抽放煤層。

80105工作面處于白羊嶺向斜東北翼，整體形態(tài)以單斜為主，北高南低，東高西低，地勢(shì)開(kāi)闊，上覆基巖覆蓋厚度變化較大。工作面內(nèi)8#煤層埋深560～627m，工作面最深部位于停采線(xiàn)位置，距離白羊嶺向斜軸部最小距離為8m，地應(yīng)力高，圍巖的透氣性低，有利于瓦斯保存，瓦斯含量較大；工作面最淺部位于開(kāi)切眼中部，瓦斯含量相對(duì)較小。瓦斯含量變化規(guī)律也呈現(xiàn)出整體上變化較小，局部變化較大的特點(diǎn)[5]。

2 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 工作面覆巖“兩帶”高度確定

工作面開(kāi)采后，根據(jù)覆巖受采動(dòng)破壞程度，自下向上巖層可依次劃分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，其中垮落帶和裂隙帶合成為“兩帶”。覆巖“兩帶”高度主要與工作面覆巖巖性、采厚及開(kāi)采方式有關(guān)。結(jié)合曹家山礦80105工作面地層鉆孔柱狀分析可知，80105工作面15號(hào)煤層直接頂及基本頂主要以泥巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為主；直接頂和基本頂厚度之和接近40m，選用中硬覆巖條件下的“兩帶”高度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。因此高位鉆孔高度Hz應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：

80105 工作面煤層厚度為4.5～5.1m，平均厚度4.8m，計(jì)算得垮落帶高度Hm=9.6～14.6m，裂隙帶高度Hl=16.5～29.5m；因此高位鉆孔高度取值為：14.6～29.5m。

2.2 長(zhǎng)距離高位定向鉆孔橫向間距設(shè)計(jì)

根據(jù)采空區(qū)瓦斯“O型圈”流動(dòng)理論，煤層開(kāi)采后覆巖裂隙自采空區(qū)中部向煤工作面兩順槽側(cè)煤壁轉(zhuǎn)移，采空區(qū)中部會(huì)被重新壓實(shí)，在采空區(qū)周邊會(huì)形成連通的離層裂隙發(fā)育帶。將長(zhǎng)距離高位定向鉆孔布置在裂隙發(fā)育區(qū)域，通過(guò)抽采經(jīng)裂隙場(chǎng)向上運(yùn)移的采空區(qū)及上隅角瓦斯，降低工作面瓦斯?jié)舛取８鶕?jù)上述分析，在進(jìn)行高度定向鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔在高度方向上需按裂隙帶發(fā)育范圍設(shè)計(jì)參數(shù)，在鉆孔水平方向上需根據(jù)工作面采礦地質(zhì)條件確定。根據(jù)80105 工作面采礦地質(zhì)條件，分析確定將高位鉆孔布置在距巷幫10～30m 范圍內(nèi)[6-7]。

2.3 鉆孔布置

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離高位鉆孔終孔位置理論計(jì)算及水平位置分析確定，并結(jié)合80105工作面頂板不同巖層的巖性特征，在80105工作面軌道順槽布置5組長(zhǎng)距離高位鉆孔。鉆孔編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#和5#，其中，1#鉆孔距巷幫10m，5#鉆孔與高抽巷平距10m，終孔孔間距5m，1#、3#、5#鉆孔終孔高度分別布置在距頂板15m，2#、4#鉆孔終孔距頂板20m，鉆孔布置層位巖性為砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，塊狀，平坦?fàn)顢嗫?，水平層理發(fā)育，含少量植物化石。單孔設(shè)計(jì)平均長(zhǎng)度約520m，共計(jì)2600m。鉆孔成孔后封孔采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔段孔徑203mm，封孔管徑159mm，封孔長(zhǎng)度為18m。鉆孔終孔方位角為75°，地磁偏角為-6°，勘探線(xiàn)方位角為81°。

在80105工作面共布置5個(gè)高位鉆孔，見(jiàn)圖1，覆蓋巷道左幫10～30m 范圍內(nèi)，層位分別布置在距頂板15m、20m，采用大功率定向鉆機(jī)（ZDY-15000LD）施工頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔。鉆場(chǎng)布置在距開(kāi)切眼距離為730m，主要目的是考慮到回采工作面推進(jìn)較快，定向鉆機(jī)施工周期長(zhǎng)，以確保留有足夠的施工距離[8-9]。

圖1 80105工作面頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆平面圖

3 長(zhǎng)距離定向順層鉆孔抽采對(duì)比施工

為對(duì)比分析高位定向鉆孔與順層定向鉆孔在曹家山礦的瓦斯抽采效果，在80103工作面設(shè)計(jì)施工順層定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。鉆場(chǎng)位于軌道順槽1100m 處，采用大功率定向鉆機(jī)（ZDY-15000LD）共施工2 個(gè)主孔，鉆孔編號(hào)分別為1#和2#，分支共14 個(gè)，累計(jì)總進(jìn)尺3861m。

4 效益性對(duì)比分析

4.1 鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量?duì)比分析

80105 工作面長(zhǎng)距離定向高位鉆孔和80103 工作面長(zhǎng)距離定向順層鉆孔瓦斯平均單孔混合量、濃度變化曲線(xiàn)如圖2所示。從瓦斯?jié)舛葋?lái)看，長(zhǎng)距離定向高位鉆孔瓦斯抽采濃度為29.5%～69.2%；定向順層鉆孔瓦斯抽采濃度為15%～52.3%；定向高位鉆孔在不同抽采時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采濃度基本均高于定向順層鉆孔，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

圖2 長(zhǎng)距離定向高位（順層）鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量變化曲線(xiàn)

綜合分析長(zhǎng)距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔平均單孔混合量，正常情況下高位鉆孔維持在6.4m3/min左右，而順層鉆孔僅為0.62m3/min 左右，前者為后者的10倍左右。說(shuō)明在低透氣性煤層中處于裂隙帶內(nèi)的定向高位鉆孔瓦斯抽采效果要明顯優(yōu)于順層鉆孔。高位定向鉆孔連抽后，80105工作面取消了上隅角埋管抽采措施，不再出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象[10]。

4.2 工程量對(duì)比分析

在走向方向上，80105、80103工作面施工的定向鉆孔抽采范圍均為550m左右；長(zhǎng)距離定向高位鉆孔施工總長(zhǎng)度為2751m，定向順層鉆孔施工總長(zhǎng)度3861m。定向順層鉆孔工程量約為定向高位鉆孔的1.4倍。

4.3 施工難度對(duì)比分析

80105工作面頂板定向鉆孔5個(gè)孔中，2#、4#鉆孔為上層鉆孔，鉆孔層位距15 號(hào)煤層頂板24～27m；1#、3#、5#鉆孔為下層鉆孔，鉆孔層位距15 號(hào)煤層頂板17～18m。2#、4#鉆孔在施工過(guò)程中穿K2灰?guī)r時(shí)，鉆孔鉆進(jìn)速度慢，出現(xiàn)憋泵、卡鉆、返渣不暢等情況。1#、3#、5#孔主要在14#煤層與K2灰?guī)r中間施工，施工較順暢；總施工周期43d。

80103軌道順槽施工順層定向鉆孔過(guò)程中，主要存在以下兩個(gè)方面問(wèn)題：一是鉆孔開(kāi)孔施工前50m，鉆孔破壞原始煤層的完整性，導(dǎo)致地應(yīng)力開(kāi)始重新分布，孔內(nèi)壓力增大，施工中孔內(nèi)響煤炮，鉆孔穿過(guò)50m以后鉆孔響煤炮現(xiàn)象逐漸減少。二是鉆孔施工中局部地點(diǎn)塌孔嚴(yán)重，經(jīng)分析主要原因?yàn)?5 號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)平均在0.5左右，局部地點(diǎn)煤層堅(jiān)固性低于0.5易塌孔；鉆孔沿煤層傾角施工，局部地點(diǎn)煤層傾角大（負(fù)角度）鉆孔施工困難，易垮孔；總施工周期52d。

總體上高位定向鉆孔施工過(guò)程較為順利，施工周期短；用于治理工作面上隅角瓦斯效率更高。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算出80105工作面覆巖垮落帶高度為9.6～14.6m，裂隙帶高度為16.5～29.5m；確定長(zhǎng)距離定向高位鉆孔的施工位置為煤層上方14.6～29.5m。

（2）通過(guò)對(duì)80105、80103工作面瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析得出，定向高位鉆孔的單位進(jìn)尺抽采量比定向順層鉆孔要高，瓦斯抽采效果明顯較好，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

（3）對(duì)比長(zhǎng)距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔的施工量、施工周期、瓦斯抽采效果等因素，證明了長(zhǎng)距離高位定向鉆孔抽采瓦斯具有成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)，有效治理上隅角瓦斯。