定向钻机实施高抽拦截孔消除隅角瓦斯超限技术研究与运用

钟传平 朱泽成

摘 要：单一煤层开采的回采工作面上隅角，由于通风系统不畅易发生瓦斯超限，制约煤矿安全生产。通过新工艺新设备定向钻机的投入，向瓦斯涌出目标层位定向实施高抽拦截钻孔，定向抽采邻近层、围岩、采空区等路径涌出的瓦斯，為消除工作面隅角瓦斯超限提供保障。

关键词：定向钻机;裂隙带;瓦斯抽采;上隅角

走向长壁回采工作面采后，顶板受采动影响产生了冒落-裂隙带。隅角位于采煤工作面的回风巷上帮与采空区边缘的三角地带，该区域通风效果不好，极易引起瓦斯超限，是煤矿瓦斯管控的重点。目前国内外治理上隅角瓦斯方法有专用高抽巷、埋管、正向抽排、高位钻孔等抽采技术。虽能减少瓦斯超限事故的次数，但存在施工周期长、费用高，埋管抽采后期维护成本高，抽采时间短、衰减快的问题，影响瓦斯治理效果^[1]。积极开展定向钻机进行高位抽采技术研究与应用，有效防治上隅角瓦斯聚积，增强矿井瓦斯防治能力，实现瓦斯“零”超限目标。

1  矿井瓦斯抽采概况

红岩煤矿开采二叠统龙潭组K1（6#）煤层，属单一煤层开采，目前±0m水平南北翼各布置1个综采工作面作业。采前实施区域综合防突措施并进行效果检验，评判达标，采取安全防护措施进行回采。针对上隅角瓦斯极易超限的问题，配合工作面高位钻孔拦截瓦斯抽采，成功将采空上方瓦斯富集区与围岩裂隙瓦斯进行拦截抽采，有效防治围岩、裂隙瓦斯涌入工作面及采空区，一定程度上保障工作面正常回采。

2  隅角瓦斯来源分析

单一煤层开采工作面回采过程中，原位煤岩体的支撑应力平衡状态被打破，在重力与采动应力作用下，采空区上方围岩剧烈下沉、垮塌，拉伸过程中发生断裂，形成大量裂隙，并与采空区形成瓦斯运移通道。裂隙带的岩层和煤层呈现卸压状态，煤岩层透气性增加，吸附于煤岩层瓦斯开始解析“活化”^[2]，呈游离态沿纵向裂缝流向采场、隅角，造成回风流瓦斯浓度增高、超限、局部聚集。

3  采动影响“坚三带横五区”范围分析

采动影响作用下，采空区上方煤岩体剧烈下沉导致上覆岩体垮塌与弯曲，处于工作面后方30m左右，由下至上划分为“竖三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

冒落带是煤层回采后，上覆岩层失去支撑应力的作用自然垮塌。矿井通常运用经验值进行估算，为煤层厚度的2-6倍，主要取决于煤层厚度、直接顶岩石的结构和强度性质，老顶对直接顶的影响程度。也可以运用冒落-裂隙带公式进行计算，与冒落带的高度，煤层开采的厚度及计算常数与系数有关。通过计算，红岩煤矿顶板冒落带高度为6.6m-11.6m，裂隙裂隙带高度为34.37m-52.17m之间。弯曲下沉带是裂隙带以上的煤岩体，受采动影响较小，保存较完整，发育了少量的裂隙，对煤层整体卸压效果的影响很小^[3]。摸清回采后瓦斯受采动影响，聚积地点、运移通道。

上覆煤岩体沿回采工作面推进方向可以划分为“横五区”，即工作面为卸压区，前方30m为采动影响—地应力集中区，前方30m以外为原应力稳定区，工作面后方30m左右顶板离层区，以外为重新压实区。卸压区和顶板离层区受到采动影响最大，走向采动影响与采空区竖向裂隙十分发育，是瓦斯富集带，瓦斯抽采的重点区域。

4  定向钻机治理上隅角瓦斯技术

4.1 钻孔布置技术

前文分析已知，抽采采空区上部顶板离层、区冒落-裂隙带瓦斯是防治上隅角瓦斯积聚超限的主要方法。裂隙带距风巷以下15～30m左右，距工作面以上冒落-裂隙带处，便是需要进行瓦斯抽采的目标。利用煤矿井下坑道钻机长距离钻进技术，定向将抽采钻孔布置在顶板裂隙带中，从而降低甚至避免因顶板冒落使高位定向钻孔被封堵、漏气等弊端，有针对性地对上隅角上方的冒落-裂隙带、瓦斯进行抽采。

在工作面上回风顺槽设抽放钻场，进行井下高位定向瓦斯抽放钻孔施工。考虑工作面回采速度、抽采效果、采空区顶板下沉影响抽采等因素，回风巷每超前工作面150m～200m，倾斜方向上施工2-3个高抽孔，间距3-5m，孔径不小于120mm。在超前工作面大于150m位置开孔，垂直向冒落-裂隙带施工，然后转弯顺工作面走向，反回采方向施工抽采拦截孔。首先经过工作面前方的采动影响—地应力集中区，穿过工作面卸压带，进入工作面后方的“竖三带”，终孔于K1煤层顶板以上冒落-裂隙带，实现瓦斯抽采。

设计高位定向钻孔时，钻孔必须控制在裂隙带瓦斯有效抽放范围内，终孔位置一般是顶板相对稳定的位置，可以有效解决裂隙带钻孔服务时间短的问题，达到良好的抽放效果，具有抽采浓度高、抽放量稳定的特点。

4.2 钻孔施工工艺

矿井采用ZDY4000LD型定向千米钻机及配套装备。该钻机利用螺杆钻具的造斜能力，改变钻机钻进的孔斜角和方位角达到设计目的。利用随钻测量仪器实时对钻孔几何参数进行精确测量和计算，准确控制钻孔轨迹，是实现定向钻进的基础和关键。

利用专用工具使钻孔轨迹按设计要求延伸至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。

成孔工艺：采用带有1.25°弯角的螺杆马达进行定向钻孔施工时，整个钻具不回转，只有螺杆钻具转子带动钻头回转破碎岩石钻进，现场技术人员根据设计轨迹及煤层具体状况实时调整螺杆钻具工具面向角，从而实现钻孔轨迹受控精确定向的目的。

4.3  瓦斯抽采效果

按照设计要求完钻，每个钻孔下入直径为100mm的筛管，全程下套护孔。采用马丽散缠绕和注浆封孔相结合的方式进行封孔，封孔长度不低于15m，孔口处用水泥砂浆封堵，保证钻孔气密性，抽采负压大于5kPa。为综合分析对比高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果，在工作面推进过程中，安排专人采集高位定向长钻孔与高位抽钻孔瓦斯抽采数据。

根据目前常规高位抽采钻孔的抽采参数，常规高位钻孔抽采浓度可达35%～80%，平均浓度57%;单孔纯流量0.098m³/min～0.37m³/min，平均单孔纯流量0.25m³/min。采用定向千米钻机治理上隅角瓦斯，抽取工作面裂隙带富集区瓦斯后，单孔接抽管管径增大为100mm，为原接抽管管径的2倍，因此定向高位钻孔单孔纯流量至少可以增加到0.5m³/min，抽采纯量至少可以增加1倍以上，使工作面回风瓦斯由0.23%～0.35%，降到0.05%～0.15%，工作面上隅角瓦斯下降到0.08%～0.23%之间。经对比计算，采空区、65%左右的瓦斯涌出量高位钻孔抽走，风排瓦斯量只有30%左右。高位钻孔的应用解决了红岩煤矿采煤工作面上隅角瓦斯积聚和超限问题。

5  认识与结语

5.1 通過使用定向钻机治理煤层瓦斯，在技术分析层面上，使我们重新认识，划分了“竖三带、横五区”，详细分析瓦斯来源及涌出途径，为以后工作面瓦斯治理找到新的目标，更好解决回采期间上隅角瓦斯浓度超限问题。

5.2 实施高位定向钻机抽采冒落-裂隙带瓦斯，有效防治上隅角瓦斯聚积，必须采集高位定向长钻孔与高位抽钻孔瓦斯抽采数据，分析两种工艺的优劣，从而明确裂隙带瓦斯抽采的控制因素及其影响机理，为现场采取针对措施治理上隅角瓦斯提供依据。

5.3 进一步加强高位定向钻孔布置研究，优化钻孔布置间距，实现高效抽取裂隙带瓦斯，实现一劳永逸的治理上隅角瓦斯超限问题。

参考文献：

[1]孙海民.煤矿工作面瓦斯治理的高位钻孔抽采技术[J].现代矿业，2019，601（5）：141-143.

[2]翟成.近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究[D].中国矿业大学，2008.

[3]杜旭.多煤层赋存条件下采场覆岩_竖三带_分布规律研究与应用[D].煤炭科学研究总院研究生院，2018.

作者简介：钟传平（1975-），男，籍贯：重庆綦江，民族：汉族，职称：通风工程师，学历：大专，研究方向：从事矿井一通三防、瓦斯地质、防突新技术、瓦斯治理新工艺技术研究与应用。