＊趙云雷

（晉能控股裝備制造集團長平煤業(yè)有限公司 山西 048000）

1.地質概況

在某煤礦32開采區(qū)域中5303工作面是一個結構較為簡單的工作面。通過地質探測，該煤礦地質方向為由北到西，整個煤礦傾斜方向為西南方向，傾斜角度為八度。整個煤礦煤層厚度在4.8m左右，煤層的傾向在166°～213°范圍之間。在此工作面以北的方向有一DF13斷層存在。該斷層為單傾斜斷層，由于斷層附近有地質斷裂的縫隙存在，所以形成了天然的瓦斯排放通道。測量可知工作面內剩余瓦斯壓力不超過0.35MPa，且含量在1.8～5.42m3/t范圍之間。但斷層受應力作用在一些區(qū)域內會有瓦斯氣體聚積。通過地質分析該工作面回采區(qū)為減少瓦斯?jié)舛炔捎玫壮橄锎鱼@孔技術來預先排放高濃度瓦斯氣體。

2.定向長鉆進設備及技術

在煤礦中打孔排氣的機械裝備主要用到定向鉆具和定向鉆機。同時這些機械設備還包含一套邊打鉆邊測量的測量系統(tǒng)。通過煤礦的實際情況，我們選用的煤礦鉆機為ZYL-6000D型定向的全液壓鉆孔機。該鉆機為履帶式鉆機，時速可保持在25m/min，鉆機最大流量290L/min，最大壓力11MPa，鉆機額定功率可達75kW。通過測量鉆機在工作時給進速度9m/min，同時起拔速度4m/min。該鉆機起拔力與推進力都為210kN，推進行程可達800mm。該鉆機的油箱可存儲250L的汽油。

除了鉆機還選用了BLY360/12型泥漿泵車，該車為履帶式礦用車。同時測量的軟件與系統(tǒng)選用YSX15型測量系統(tǒng)。

定向鉆機工作原理是機械內部的泵體驅動清洗液產(chǎn)生動能，其次高壓清洗液再驅動底部的轉子做轉動，最后轉子帶動鉆頭回轉對巖體進行打孔。鉆孔的進給方向應該嚴格按照設計方向進行。通過各項研究表明，在鉆機進行打孔的過程中，鉆頭與鉆孔的相對運動可能導致在鉆進過程中出現(xiàn)危險事故。所以要對鉆孔的設計方案進行優(yōu)化，提高鉆孔的安全性與效率性。

另一方面測量系統(tǒng)的可靠性與準確性也要得到保證。在測量時首先要做到系統(tǒng)設備狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)接受穩(wěn)定，各測量原件接觸良好不受鉆孔振動影響。在測量時第一次測量打孔深度要超過12m，此深度是為了保證測量設備不受磁場的干擾。在隨后的測量過程中，每隔3m便記錄一次測量數(shù)據(jù)。當鉆孔完成后要對測量數(shù)據(jù)進行檢查，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)要重新進行測量。最后在測量完成后對數(shù)據(jù)進行標定和備注，同時重要數(shù)據(jù)還要進行補充等。

3.定向高位鉆孔設計

(1)5303工作面垂直“三帶”分析

通常礦井中的瓦斯氣體釋放源頭較多，所以鉆孔抽取的位置與鉆孔的方式一般在釋放源頭活躍的地方進行。對5303工作面內部環(huán)境檢測分析，制定了在三帶區(qū)域進行鉆孔排放的方案，同時對該區(qū)域內打孔位置和鉆孔的鉆進方向進行了合理化設計布局。在開采的過程中采空區(qū)通道可能會出現(xiàn)三帶區(qū)域。在此之間周圍巖體受力發(fā)生改變，導致開采層與周圍巖體層會形成一個空氣流動的縫隙，該縫隙能對瓦斯進行排放。為了使鉆孔的設計位置最優(yōu)化，打孔抽取瓦斯的位置應設置在該縫隙內，同時需要對冒落帶周圍巖層范圍進行測量計算。表1是煤層上巖體的具體參數(shù)。

煤礦工作面開采高度和冒落帶周圍巖體的厚度兩者關系如式（1）。

式中，

H2—縫隙帶高度，m；

H1—冒落帶高度，m；

M—煤礦工作面開采高度，m。

通過運算可得煤礦工作面高度范圍為4.77m左右，通過回采工作面高位打孔所檢測出的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式（2）可知，二1煤礦層頂板以上6.2m到9.2m內是冒落帶的范圍區(qū)域。由式（3）得出在30.8m到42m之間是縫隙帶的范圍區(qū)域。

(2)定向高位鉆孔設計

在某煤礦開在過程中，工作面回風巷是高位打孔主要位置所在，但工作面內部環(huán)境較差，內部充滿大量的粉塵，影響施工與機械設備。另一方面，煤礦巷在開通后就要立刻進行工作面安裝，而工作面安裝完成后回采工作也要立刻執(zhí)行，所以整個煤礦開采步驟交接節(jié)奏過快，且回采的過程中回風流內不容許進行打孔作業(yè)，所以高位打孔的進程十分緩慢。為了解決此問題，通過分析把中巷只作為通風通道，其中沒有工序交接，所以可把高位打孔的位置定位在中巷通風道內進行。

由于受工作面縫隙帶高度的制約，通過實際測量把高位打孔位具體定位在中巷Z5測點前25m處。在打孔的位置處共設計兩個鉆孔，一個孔在離二1煤層底板25m位置，并且在頂板粉砂巖層中，另一個孔在距離二1煤層底板35m位置，并處于細粒砂巖層中。鉆孔最終貫穿位置在回風巷下部15m處，另一孔在25m處，且兩孔相隔700mm。首先，在開孔的過程中，鉆頭從工作面上幫貫穿通過煤礦層，然后再到頂板巖體的1m處。其次，在鉆好的空內放入直徑為146mm的套管，往套管內注漿來加固孔洞。最后，再用直徑為96mm的鉆頭繼續(xù)加深。圖1至圖2為打孔的位置軌跡示意圖，打孔參數(shù)如表2。

表2 5303工作面定向高位鉆孔設計參數(shù)

(3)鉆孔孔身結構及流程

通過實踐可知，鉆孔用二開式孔結構能更有效地提升打孔的效率與安全性。并且孔可靠性更好，工藝性更高，表3為其結構。

表3 定向鉆孔孔身結構

以下步驟是高位定向打孔的具體實施過程：

①固定鉆孔機并調整角度。

②選用超過4m起拔鉆桿、選用直徑為153mm鉆頭。

③洗孔。

④選用直徑為46mm的封孔管。

⑤開始對水氣、殘渣分離器和防噴箱等孔口進行連接。

⑥洗孔。

⑦起拔鉆桿。

⑧封孔注漿。

⑨對抽采排放管道進行連接。

4.現(xiàn)場實際效果分析

當打孔與封孔施工步驟結束后就要對瓦斯的具體含量進行抽取調查。通過一段時間的定點數(shù)據(jù)采樣，可知瓦斯氣體樣體的體積分數(shù)在3.3%到18.6%之間，通過參數(shù)運算抽樣平均體積分數(shù)在10.1%左右。瓦斯的采樣純度在0.11m3/min到0.49m3/min之間，采樣平均純度在0.49m3/min左右。圖3為采樣的瓦斯純度與時間的變化函數(shù)圖，在圖中可得鉆孔內瓦斯純度隨時間變化而增加。Z1孔的擬合方程式為y=0.00284+0.01771，通過方程式可算出增長倍數(shù)為7倍，從4月27日的0.05m3/min可增長到0.35m3/min。Z2孔擬合方程為y=5.87127x 104+0.08686，且可看出純度最大為0.24m3/min。

圖3 5303工作面定向高位鉆孔抽采量曲線

從圖3可知，孔Z2排出瓦斯氣體要比Z1孔含量低，其原因主要為瓦斯氣體為向上空氣流散發(fā)，孔Z1在采空區(qū)的下幫距離風巷15m的位置，而Z2孔在距離風巷25m的位置，所以孔Z2要比孔Z1少抽取瓦斯氣體。另一方面采空區(qū)在開采過程中區(qū)域會逐漸增大，瓦斯氣體在區(qū)域上部聚積，所以上部的孔排放量會一直增加，而距離遠的孔Z2則會在兩個月內排放量逐漸變低。

通過瓦斯含量函數(shù)曲線圖可知，與工作面距離較遠的孔周圍巖體受力分布均勻，應力對其影響較小，所以此處煤層狀態(tài)穩(wěn)定，瓦斯散發(fā)量也較少，但在施工的過程中由于受力變化，煤層狀態(tài)也發(fā)生變化，此時瓦斯散發(fā)量開始增加，定向孔周圍巖體受力產(chǎn)生縫隙，瓦斯會隨著壓力加快向外排，所以抽取的瓦斯?jié)舛纫矔黾印?/p>

5.結語

通過高位定向打孔的方案是一種更為先進的技術手段，通過對現(xiàn)場抽取的瓦斯參數(shù)研究，此方法相對于傳統(tǒng)的方法抽取效率更高，安全性能也更好。

在運用高位定向技術手段抽取瓦斯后，經(jīng)檢測瓦斯氣體平均體積分數(shù)為10.1%左右，抽取樣本分為在3.3%到18.6%之間。純度也降到了0.11m3/min到0.49m3/min之間。與傳統(tǒng)相對比，工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)低于0.1%，所以此方案更為有效，也更安全。

通過理論計算可得通過回采工作面高位打孔，二1煤礦層頂板以上6.2m到9.2m內是冒落帶的范圍區(qū)域。在30.8m到42m之間是縫隙帶的范圍區(qū)域。所以定向孔在巖體縫隙內長度得到了延長，鉆孔方案得到了優(yōu)化改進。

定向鉆孔設備在工藝性與施工可靠性與傳統(tǒng)的履帶鉆孔設備相比優(yōu)點更為突出，其對打孔位置的精準度、孔深長度都有明顯的變化。而且設備排放氣體時間更長，還不需要專門的排放通道，簡化了瓦斯抽取的過程。

在實際高位打孔中，由于受地質特點和機械設備誤差等因素影響，實際打孔的深度、軌跡以及層數(shù)都與設計方案中有一定的不同。所對煤礦地質勘探數(shù)據(jù)的精確程度和機械設備操作的熟練程度都影響著鉆孔的質量與效率。