高位定向钻孔技术的实践应用研究

余鹏飞

（山西陵川崇安关岭山煤业有限公司，山西 晋城 048300）

1 问题的提出

传统治理煤层回采卸压瓦斯的方式有高位巷抽放、高位钻孔和上隅角大管径预留管抽放技术。高位巷道施工周期长、费用高，吨煤开采成本高。高位钻孔一般较短，一个回采面需要施工的高位钻孔数量多、钻场多、进尺数量大，无用进尺所占比例大，在瓦斯富集区无法控制，过钻场期间存在安全隐患。大管径预留管抽采浓度低，顶板塌陷过程可能造成管路损坏，影响抽采效果，导致安全隐患。

针对目前我国山西地区采用高位巷钻孔治理采空区卸压瓦斯钻孔数量多、钻孔利用率低的问题，引进定向钻进技术与装备，开展高位定向钻孔治理采空区瓦斯技术研究，提高复杂地层下钻孔成孔率和利用率，开发对应的扩孔技术与瓦斯抽采技术，提高单孔瓦斯抽采效果，从而实现安全、高效、经济地利用高位定向孔治理采空区瓦斯。

高位定向孔技术可精确控制主孔轨迹分布在采空区瓦斯富集层带中，并开梳状分支孔进入煤层上部冒落带，甚至煤层中。当煤层回采后，卸压瓦斯可通过裂隙及分支孔运移至主孔中进而被抽出。最终利用定向钻进技术施工高位定向孔代替高抽巷和采面留管抽采采空区的卸压瓦斯，降低采面上隅角瓦斯浓度，保障工作面回采工作的安全，降低开采成本，提高经济效益。

2 地质概况

山西陵川崇安关岭山煤业有限公司位于晋城陵川县杨村镇岭北底村，20411工作面北东为一盘区皮带巷、辅助运输大巷、回风巷及实煤区。该工作面煤层结构较复杂，煤层全厚6.62m，纯煤厚5.16m，含1～5层夹矸，夹矸为0.05～1.45m，平均为0.29m，局部有2#层煤层赋存，煤厚在0.94～2.63m，平均为1.95m。3#层与上覆2#层层间距为0.40～1.75m，平均为1.17m，倾角2°～15°，属近水平煤层。煤岩类型以暗淡型为主，煤种为气煤。位于下层的20413工作面已开采，上层30021工作面未开采。经预测20411工作面在回采期间瓦斯涌出量为51.7m3/min，全负压U型上行通风。

3 高位定向钻孔设计

3.1 布孔方法

在铅垂面上，主孔大部分孔段位于巷道顶板上方裂隙带，取导水裂隙层上方2～5m处。主孔倾角≥2°，倾角变化≤105°，分支点间距一般设置在50m左右，分支孔相对主孔倾角降幅≤20°。针对20411工作面回采巷道，为提高卸压瓦斯抽采效果，采用最近钻孔距回风巷Z，钻孔距回风巷S（约采面煤层回采宽度的1/4），钻孔间距d（约4～6m）。

根据裂缝带高度计算公式计算可知，钻孔终孔点距离顶板垂高为22m、25m，钻孔参数设计如表1所示。

表1 钻孔参数设计表

3.2 施工方法

采用“后退式”施工工艺来进行抽放瓦斯作业，当主钻孔施工完成后退钻时向下施工分支钻孔。

3.3 封孔及观测方式

钻孔全部施工完成后，采用3m的4寸铁管插入钻孔，并用棉纱加玛丽散封堵铁管与孔壁周围空隙，利用4寸埋丝管将铁管连接分流器，进而连接到14寸主管至地面永久瓦斯泵房进行联网抽采。在抽采过程中采用束管观测法对单孔瓦斯浓度进行观察。

3.4 技术特点

高位定向孔能精确控制钻孔轨迹位于卸压瓦斯富集层位，相对于传统高位孔（一般小于150m，大倾角，位于卸压瓦斯富集层位孔段少，钻孔数量多，回风巷处每隔80m需一钻场）抽采效果更高、钻孔更深（一般大于500m），覆盖范围广（单孔），实现瓦斯大区域治理目的，相对于高位巷节省了大量巷道施工、经济、时间成本。

4 抽采效果分析

20411 工作面从2017年9月3日进行试采，对钻孔的观测时间是从10月3日至11月2日，期间工作面推进121m。对主管瓦斯浓度数据进行处理得到图1所示曲线。

图1 主管瓦斯浓度变化曲线

从图1可知，在观测期间，高位钻场抽采浓度最高达48%，长期稳定在35%左右，抽采纯量为22.7m3/min，大大提高了抽采效率。主要效果表现如下：

（1）定向钻孔单孔抽放浓度由原来10%左右提高到30%～60%。

（2）取代了传统的高位抽放巷，减少了高位钻场的施工数量，减少瓦斯抽放管数量，有效降低了采面上隅角瓦斯浓度，为采面安全、高效生产提供了保障。

（3）高位定向钴孔孔径大，深度长，钻孔轨迹可控，可在主孔内施工定向分支孔减少钻孔的施工量，提高了抽采效率。

（4）通过实施高位定向孔替代高抽巷及高位钻孔，减少采面瓦斯抽放管趟数，减小采面瓦斯抽采管理难度，每年可节省成本500余万元。

（5）定向钻孔工艺还可使用在煤矿井下精确探放水方面。

5 结语

崇安关岭山煤业20411工作面的高位定向钻孔技术的实践应用效果表明，该技术能将单孔抽放浓度从10%左右提高到30%～60%，提高了瓦斯抽采效果，为企业创造了较好的安全经济效益。本次对于高位定向钻孔技术的实践应用项目是成功的、合理的。

崇安关岭山煤业还在继续对复杂地层条件下高位定向孔成孔工艺技术进行研究，研究探索在复杂地层条件下高位定向孔成孔工艺技术，通过研发并使用定向孔防塌剂、注浆、下套管等工艺技术措施使其在过断层、破碎带时能够降低孔内事故发生的概率，总结出一套应对复杂地层钻进的钻孔事故预防及处理规范。同时不断探索高位定向孔的主孔及分支孔布孔方式与瓦斯抽采浓度及抽采纯量之间的关系，寻找出一套适合于该矿的采空区卸压瓦斯抽采的最佳布孔方法。