定向长钻孔防治技术在煤层强突出危险区的应用

刘昆，冯步云

定向长钻孔防治技术在煤层强突出危险区的应用

刘昆，冯步云

（淮南矿业集团平安工程院公司，安徽 淮南 232001）

随着双柳矿采掘活动向深部强突出危险区延伸，瓦斯地质问题已成为制约矿井安全高效生产的主要因素，而传统的底抽巷穿层短钻孔效果差，消突效果难以保证。而采用底抽巷穿岩顺层定向长钻孔消突技术，大大提高了钻孔利用率，减少了钻孔工程量，煤层消突区域的残余瓦斯含量、可解析瓦斯瓦斯量、残余瓦斯压力、K1值、钻屑量、工作面瓦斯浓度、工作面回风瓦斯浓度等各项防突参数指标均达到相关要求，实现了煤层强突出危险区的采掘工作面在低瓦斯状态下的安全、高效生产。

穿岩；定向钻孔；消突效果；瓦斯

随着我国煤炭开采深度的逐渐增加，面临的瓦斯地质问题也愈发突出，如煤层破坏程度高、瓦斯含量高、瓦斯压力大、瓦斯涌出量大等一系列问题。深部煤层开采前的瓦斯防治也成为矿井地质工作的重点内容之一[1]。传统底抽巷穿层短钻孔一般垂直煤层施工，钻孔岩段远远大于煤段，抽采钻孔利用率低、轨迹控制难、工程量较大、消突效果难以保证，而定向长钻孔防治技术可以很好地解决该类问题[2-9]。

山西省河东煤田中部双柳煤矿属突出矿井，目前开采3+4号煤层最大瓦斯压力为2.4 MPa，破坏类型正常区域为Ⅱ～Ⅲ类，地质破坏区域为Ⅳ～Ⅴ类，坚固性系数范围为0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大为12.9 mmHg。矿井急需开展使用强突煤层定向长钻孔消突技术替代传统穿层短钻孔消突技术的应用和研究工作。

1 研究背景

1.1 巷道布置情况

本次研究区内布置有三条巷道，分别是北翼瓦斯治理巷、区域瓦斯治理底抽巷、南翼瓦斯治理巷。区域瓦斯治理底抽巷布置在3+4号煤层下方10～15 m的岩层中，其他两条巷道均布置在3+4煤层中。区域瓦斯治理底抽巷与南、北翼瓦斯治理巷的投影平面距离均为35 m，具体如图1所示。

图1 巷道布置示意图

1.2 瓦斯地质情况

3+4号煤层位于山西组下部，井田中、东部大部分地段与其上的3号煤合并，煤层厚2.00～4.11 m，平均厚度为3.54 m，属厚煤层，全井田稳定可采。该煤层为突出煤层，其煤尘爆炸指数为30.8%～40.9%，煤尘具有爆炸性，自然倾向性为Ⅲ级，不易自燃，破坏类型正常区域为Ⅱ～Ⅲ类，地质破坏区域为Ⅳ～Ⅴ类，坚固性系数范围为0.36~0.53，瓦斯放散初速度最大为12.9 mmHg。在本区域内，预测3+4号煤层原始瓦斯含量为12.8 m3/t，原始瓦斯压力为2.08 MPa。

2 定向长钻孔消突技术

在区域瓦斯治理底抽巷内对千米钻机钻场进行施工，对上覆煤层中的南、北瓦斯治理巷的穿岩顺煤层定向长钻孔进行施工，即钻机先从岩巷开钻，穿过8～10 m的煤层底板岩石后进入煤层，并沿着煤层继续钻进，直至达到设计长度。然后进行条带预抽消突，每个钻场内钻孔设计长度均为450 m，终孔间距为7 m，每个钻场设计钻孔7～8个，钻场与钻场之间压茬为100 m。每一评价单元钻孔施工结束后预抽时间不低于6个月。

按照《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条规定，对于钻孔控制回采巷道外侧的范围为：倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20 m，下帮至少10 m；其他为巷道两侧轮廓线外至少各15 m。因焦煤集团规定外扩不小于20 m，因此在区域瓦斯治理底抽巷施工的穿煤层定向长钻孔预抽煤巷条带，控制南翼瓦斯治理巷欲掘位置及其两侧20 m范围的煤体。具体钻孔设计参数及布置如图2所示。

图2 区域瓦斯治理底抽巷区域预抽南、北翼瓦斯治理巷钻孔布置图

与传统穿层短钻孔的方案相比较，以450 m的煤巷条带消突单元为例，穿岩顺层定向长钻孔需布置一组7个钻孔，工程量为3 150 m，传统穿层短钻孔每隔5 m施工一组钻孔，需要施工90组钻孔，每组9个钻孔，每组钻孔工程量约

418 m，总钻孔工程量为37 620 m。上述数据对比表明：采用穿岩顺层定向长钻孔消突技术提高了钻孔利用率，大幅减少了钻孔工程量，降低了矿井瓦斯治理成本。

本文采用的钻机为ZDY-6000LD（奥钻）履带式钻机。在施工过程中，第一次开钻采用Φ96 mmPCD钻头钻至10 m，退钻换Φ180 mmPDC扩孔钻头扩至10 m退钻，下入10 m长4寸（1寸≈3.33 cm）封孔铁管固管后，采用膨胀水泥进行孔内高压注浆，封堵管外与孔壁之间的间隙。第二次开钻采用Φ96 mmPCD钻头+下无磁钻杆+孔底马达+测量短节+上无磁钻杆+Φ73 mm通讯钻杆钻具组合，开始正常定向钻进。正常定向钻进时，每施工6 m测定一次孔底的参数，根据测定的参数和已掌握的现场实际地质情况，调整钻进方向，力求钻孔按照设计轨迹和要求钻进。测定数据可根据钻孔施工探顶板实际情况调整测量距离。

3 区域消突效果考察

3.1 抽采评价单元的评判参数指标

通过抽采达标划定的评判区域，经计算，北翼瓦斯治理巷底板穿层定向长钻孔预抽掩护区域各项指标符合抽采达标评判要求，具体情况如下：①预抽时间13个月，符合要求；②残余瓦斯含量最大为4.71 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量为3.31 m3/t，符合要求；③通过计算残余瓦斯压力均小于0.74 MPa，符合要求。

通过抽采达标划定的评判区域，经计算，南翼瓦斯治理巷底板穿层定向长钻孔预抽掩护区域各项指标符合抽采达标评判要求，具体情况如下：①预抽时间10个月，符合要求；②残余瓦斯含量最大为4.6 m3/t，可解析瓦斯瓦斯量为3.42 m3/t，符合要求；③通过计算残余瓦斯压力均小于0.74 MPa，符合要求。

3.2 防突有关规定的其他参数指标

为了进一步验证消突效果，对掘进期间南、北翼瓦斯治理巷进行了跟踪考察，结果表明，南、北瓦斯治理巷相应的K1值、钻屑量、工作面瓦斯浓度、回风瓦斯浓度等参数指标均符合防突有关规定要求。

4 结论

底抽巷穿岩顺煤层定向长钻孔消突技术为解决无卸压松软低透煤层瓦斯治理难题提供了新的方法。经过不少于6个月的抽采，煤层消突区域的各项防突参数指标均符合相关要求，实现了煤层强突出危险区的采掘工作面在低瓦斯状态下的安全生产。底抽巷穿岩顺煤层定向长钻孔的轨迹可控，钻孔利用率得到提高，钻孔工程量大幅减少，经济效益和社会效益可观，实现了矿井的高效生产。

［1］袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考［J］.煤炭学报，2016，41（1）：1-6．

［2］袁亮，刘泽功.淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术研究［J］.煤炭学报，2003，28（2）：149-152．

［3］谢和平，周宏伟，薛东杰，等.我国煤与瓦斯共采理论、技术与工程［J］.煤炭学报，2014（8）：1391-1397．

［4］龙威成，赵乐凯，陈冬冬，等.顺煤层定向长钻孔水力压裂煤层增透技术及试验研究［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2019，38（3）：10-15．

［5］侯国培，郭昆明，岳茂庄，等.高位定向长钻孔瓦斯抽采技术应用［J］.煤炭工程，2019，51（1）：64-67.

［6］刘晓，马耕，苏现波，等.煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯存在问题分析及对策［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2016，35（3）：303-308．

［7］石浩.大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用［J］.煤炭科学技术，2018，46（10）：190-195.

［8］石智军，赵江鹏，陆鸿涛，等．煤矿区大直径垂直定向孔快速钻进关键技术与装备［J］.煤炭科学技术，2016，44（9）：13-18．

［9］闫保永.高位定向长钻孔钻进工艺研究［J］.煤炭科学技术，2016，44（4）：55-58．

TD163

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.065

2095－6835（2019）13－0148－02

刘昆（1987—），男，本科学历，工程师，主要从事煤矿瓦斯地质方面的工作。

〔编辑：王霞〕