定向钻孔消突技术应用与效果检验

孙笑寒

（冀中能源股份有限公司 东庞矿，河北 邢台054000）

1 概 况

冀中能源股份有限公司东庞矿东庞井位于河北省内丘县西南约10 km，矿井于1983年12月26日建成投产，井田南北长约8 km，东西宽约5 km，面积40.88 km2。井田西南以各小煤矿、局部以9号煤层露头和F40断层为界，西北及东北分别止于F2及F18断层，东以F22、F19、F34断层为界；东南止于F12断层。矿井核定生产能力3.6 Mt/a，主采2号煤层，该煤层属自燃煤层，有煤尘爆炸性；经鉴定2号煤层具有煤与瓦斯突出危险性。

21218工作面位于十二采区，地面位置位于西永安村西南，工作面东北到北f331（DF12）断层，东南到21220工作面采空区，西南到12采区回风巷。21218工作面切眼距离北f311断层30 m，煤层赋存标高为-518—-530 m。21218工作面切眼消突块段包括外切眼、补轨道巷、切眼、皮带巷（里段）。2号煤层平均厚度4.35 m。

根据《冀中能源股份有限公司东庞矿2号煤层突出危险性区域划分研究报告》，东庞矿的2号煤层第Ⅰ-Ⅳ瓦斯地质单元判定为无突出危险区，第Ⅴ瓦斯地质单元标高-510 m以浅判定为无突出危险区，第Ⅴ瓦斯地质单元标高-510 m及以深判定为突出危险区。21218工作面切眼块段位于瓦斯地质单元Ⅴ，标高为-510—-540 m，因此，21218切眼块段位于突出危险区内。

2 定向钻孔消突措施

东庞矿于2020年购置了ZDY4000LD（C）煤矿井下用履带式全液压定向钻机，该钻机是一种低转速大转矩、适于中深孔钻进的履带自行式定向钻机。该钻机具有技术性能先进、工艺适应性强、安全、可靠、移动搬迁方便等优点，主要适用于煤矿井下大直径中深瓦斯抽采孔及其它工程孔的施工。根据《防治煤与瓦斯突出细则》之规定及东庞矿对新设备、新技术、新工艺推广与应用的需要，结合现场瓦斯地质赋存情况和工作面布置，21218切眼块段范围，包括外切眼、补轨道巷、切眼、皮带巷（里段）及其合围的21218工作面回采区域，采取定向钻机施工的“顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯”的区域防突措施。

2.1 定向钻孔设计

在21218轨道巷A18点前37.38 m以里至巷道迎头巷帮施工顺层抽采钻孔。钻孔控制范围：倾向上自21218工作面轨道巷到补轨道巷上30 m、走向上自外切眼左侧30 m起，到切眼右侧30 m范围内的煤体。抽采钻孔孔径113 mm，终孔间距≤4.5 m。设计钻孔51个，孔深13～157 m，钻孔量6 196 m，抽采时间不少于30 d，孔口负压≥13 kPa。钻孔采用定向钻机施工。具体参数见表1。

表1 21218外切眼、补充轨道巷区域预抽钻孔施工参数Table 1 Construction parameters of 21218 outer hole cutting and pre-pumping hole in supplementary track roadway area

2.2 定向钻孔施工

设计钻孔均采用ZDY4000LD（C）定向钻机施工，该钻机在钻孔施工过程中能够利用先进技术，通过钻机配套的无磁钻杆、探管在计算机显示器上显示钻孔参数、设计轨迹、实钻轨迹等信息，通过对比分析实钻轨迹和设计轨迹差别，调整螺杆马达弯头朝向，从而使得钻孔轨迹按设计轨迹施工实现定向钻进，确保了钻孔间距满足要求，并且布置均匀。

钻机固定好后调整钻杆方位角、倾角，开孔使用φ113 mmPDC复合片钻头回转钻进5 m，换φ154 mmPDC扩孔钻头扩孔2 m，提钻后下入防喷装置，连接好除尘设施，再使用φ113 mmPDC复合片钻头定向钻进至设计孔深，拔杆后去掉防喷装置，下入φ50 mm×1 800 mm抽放管及配套封孔囊袋，要求最前面3 m抽放管为花管，封孔囊袋固定在15 m和6 m位置（有特殊情况以设计为准），再下入筛管，筛管尽量下至钻孔最深处，最后使用膨胀水泥进行固管。接好抽放管进行后续接抽作业。

3 瓦斯抽采及消突效果

21218工作面位于12采区，根据预抽钻孔抽采前取煤样实测，21218工作面范围内最大原始煤层瓦斯含量为5.471 1 m3/t，预计21218工作面外切眼、补轨道巷（预抽后）掘进期间绝对瓦斯涌出量为2.5 mm3/min（风排量）。

2020年7月24日至2020年12月10日，在21218轨道巷A18点前37.38 m以里至巷道迎头巷帮，由定向钻机施工完成了51个预抽钻孔，已由定向钻机全部施工完毕，钻孔施工过程中无喷孔、顶钻等瓦斯异常现象，并采用视频监控手段检查确认钻孔深度，按要求进行了核查分析。钻孔控制范围：倾向上自21218工作面轨道巷到补轨道巷上30 m、走向上自外切眼左侧30 m起到切眼右侧30 m范围内的煤体。抽采钻孔孔径113 mm，终孔间距≤4.5 m。孔深13～157 m，截止到2021年1月13日，所有预抽钻孔已抽采满30 d，且抽采负压不低于13 kPa。利用定向钻机先进的技术，21218工作面切眼块段预抽钻孔实际终孔间距在3.4～5.4 m，预抽钻孔抽采时间均不少于30 d，满足2号煤层在孔径φ113 mm、抽采30 d条件下的瓦斯抽采，有效抽采半径为3.5 m的要求。所有钻孔布置均匀、施工长度等参数满足设计要求，符合《防治煤与瓦斯突出细则》有关要求。

4 防突效果检验

4.1 效果检验措施

东庞矿于2021年1月14日-2021年1月25日，利用定向钻机定向钻进技术按照设计于21218切眼块段施工了5个效果检验钻孔，共18个效果检验点。

效果检验点布置原则：区段宽度宽度未超过120 m，则沿工作面推进方向每间隔30 m至少布置2个检验测试点。

效果检验孔采用ZDY4000LD（C）定向钻机结合定点取样装置施工，取样程序为钻机施工至取样点位置后，退钻杆，重新采用定点取样装置，沿钻孔轨迹施工至取样点位置后取煤样，即5个效果检验钻孔也实时进行了轨迹测定。利用定点取样装置现场按要求取样，并进行了残余瓦斯含量（或瓦斯压力）等瓦斯基本参数的测定。

检验钻孔布置在措施孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短的位置。施工过程中无喷孔、顶钻等瓦斯异常现象，采用视频监控手段检查确认钻孔深度，按要求进行核查分析。安排专人现场取样，进行残余瓦斯含量（或瓦斯压力）、可解吸瓦斯含量等瓦斯基本参数的测定，实测结果见表2。

表2 区域措施效果检验指标实测值Table 2 Measured values of regional measures effect inspection indexes

4.2 效果检验结论

东庞矿东庞井2号煤层区域突出危险性预测指标相对瓦斯压力临界值为0.60 MPa，瓦斯含量临界值为6 m3/t，以上所得相对瓦斯压力、瓦斯含量临界值可作为区域预测与区域防突措施效果检验指标的临界值。

18个效果检验点井下实测的煤体残余瓦斯含量均小于6 m3/t，根据残余瓦斯含量反算的残余瓦斯压力均小于0.6 MPa，且区域防突措施效果检验钻孔施工过程中，未出现顶钻、卡钻、钻孔喷瓦斯等煤与瓦斯突出预兆。判定区域预抽防突措施有效，钻孔覆盖倾向上自21218工作面轨道巷到补轨道巷上30 m、走向上自外切眼左侧30 m起到切眼右侧30 m范围内的煤体为无突出危险区。

防突效果检验合格后，东庞矿对21218轨道巷切眼块段进行掘进作业，期间未发生煤壁开掉渣、片帮、响煤炮等突出征兆。

5 结 论

（1）定向钻机拥有先进的技术优势，对比传统钻机，最显著的特点为定向钻机可以实现钻孔轨迹的人工控制，可以保证钻孔终孔位置符合设计要求，从而实现抽采期间没有空白带存在，符合《防治煤与瓦斯突出细则》相关规定，达到有效消突的目的。

（2）通过利用定向钻机对有瓦斯突出危险区域的煤层实施消突，可以为工作面安全掘进提供可靠的保障，此方法为煤与瓦斯突出矿井的消突，特别是取消岩石底板瓦斯抽放巷道提供了有说服力的依据。