高位定向长钻孔高效抽采技术的应用

唐强

摘 要：本文结合试验矿井生产实际情况对矿井“三带”进行分析，确定了高位定向长钻孔施工层位为煤层顶板上方20～25 m，并对高位钻孔现场布置参数进行设计。现场应用该技术后，工作面上隅角及回风流中的瓦斯浓度分别控制在0.6%、0.5%以内，为采面安全高效回采创造了良好条件。

关键词：高位钻孔;采空区;瓦斯抽采

中图分类号：TD712.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0060-03

Application of High-Efficiency Drainage Technology for High-Position Directional Long Boreholes

TANG Qiang

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037）

Abstract： Combined with the actual production situation of the test mine， this paper analyzed the "three zones" of the mine， determined that the construction horizon of the high-level directional long drilling was 20-25 m above the coal seam roof， and designed the site layout parameters of the high-level drilling. After field application of the technology， the gas concentration in the upper corner of the working face and the return air flow is controlled within 0.6% and 0.5% respectively， which creates good conditions for safe and efficient mining.

Keywords： high drilling;goaf;gas drainage

瓦斯灾害是煤矿的主要灾害之一，不仅会给工作人员的生命安全造成很大的威胁，而且会带来巨大的财产损失[1-3]。煤矿工程技术人员和科研院校的学者在瓦斯灾害治理方面做了大量研究，使煤矿瓦斯灾害事故率逐年下降。但是，高突矿井工作面上隅角和回风流瓦斯超限现象仍时有发生，严重制约着矿井的安全高效生产。而采空区瓦斯涌出是工作面上隅角和回风流瓦斯的重要来源之一。常规的采空区瓦斯治理方法主要有上隅角埋管或插管抽采、顶板高位巷抽采等[4-6]，但这些方法存在施工量大、难度高、抽采效果不稳定等问题，急需研究应用新技术及工艺解决采空区瓦斯治理难题，为矿井安全高效生产保驾护航。

1 矿井概况

试验矿井位于云南省昭通市，矿井核定生产能力为0.6 Mt/a，经鉴定为煤与瓦斯突出矿井。矿井的可采煤层是C1、C5煤层，主采C5煤层，该煤层原始瓦斯含量最大为11.25 m3/t，原始瓦斯压力最大为1.74 MPa。W1102综采工作面位于矿西一采区，其走向长度为790.0 m，切眼长度为150.0 m。回采区域内煤层瓦斯赋存条件稳定，煤层水文地质条件简单，煤层平均厚度为4.5 m，煤层倾角为6°～12°，平均倾角为10°，为缓倾斜煤层，采用MG900/2245-GWD型大功率厚煤层割煤机进行采煤。工作面基本参数见表1。

W1102綜采工作面回采的煤层瓦斯含量、压力分别为11.25 m3/t和1.74 MPa，瓦斯是制约综采工作面生产安全的主要因素。在综采工作面回采前期，虽然利用本煤层瓦斯抽采钻孔对瓦斯进行了预抽，但是综采工作面回采期间，采空区内瓦斯仍向回采空间大量涌出。经现场测定发现，回风上隅角位置平均瓦斯浓度达到0.75%，存在瓦斯超限的风险。为了确保综采工作面回采安全，提出使用高位定向长钻孔对采空区顶板瓦斯进行预抽，从而减少采空区瓦斯涌出量。

2 高位定向长钻孔施工技术及应用

瓦斯抽采是降低瓦斯涌出量、提高采面生产安全的主要技术手段，根据采面瓦斯涌出特征，采用针对性的瓦斯抽采技术可起到较为显著的瓦斯治理效果[7-9]。本文提出采用高位定向长钻孔对W1102工作面顶板裂隙瓦斯进行抽采，以降低采空区瓦斯涌出量。

2.1 施工技术基础

高位定向长钻孔抽采煤层瓦斯技术的实施是基于矿井煤层开采过程中会引起上覆岩层的变化的“三带”理论，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带（见图1），向裂隙带定向施工长钻孔抽采煤层瓦斯。在煤层开采过程中，采空区原煤层直接顶破碎下沉后，老顶上覆岩层在压力作用下会产生大量的裂隙，这些裂隙的产生为采空区瓦斯提供了储存空间。由于瓦斯密度相对空气密度较小，在裂隙产生后，有一部分瓦斯随时间推移会逐渐扩散、渗透进裂隙中。此时，利用定向钻机的定向纠偏功能可以保证向裂隙带施工定向长钻孔的精准度，从而达到高效抽出采空区瓦斯的目的，实现采空区瓦斯的有效治理，降低采空区瓦斯灾害的危险性，保障矿井采煤工作面安全高效回采。

2.2 钻孔设计及施工

根据矿井煤层实际情况和生产实践积累的经验，选择煤层顶板上方20～25 m为定向长钻孔施工层位，钻孔终孔位置与W回风顺槽水平间距为20～40 m。在采空区岩层裂隙带（煤层顶板上方20～25 m范围内）设计施工3个高位定向长钻孔作为瓦斯抽采钻孔，钻孔设计施工深度均为400 m，钻孔具体参数见表2，钻孔位置见图2。

利用矿井自购的ZYWL-6000DS型煤矿用履带式全液压钻机施工高位定向长钻孔。受煤层上覆岩层变化及钻机操作工熟练程度等不确定因素的影响，实际施工深度与完成深度存在一定偏差，但偏差在合理的范围内：1号孔设计深度400 m，实际施工完成深度为350 m;2号孔设计深度400 m，实际施工完成深度为450 m;3号孔设计深度400 m，实际施工完成深度为420 m，钻孔总进尺为1 220 m，达到预期施工设计要求。3个高位定向长钻孔初始利用直径为89 mm的钻头进行施工至成孔，成孔后更换为直径133 mm钻头进行扩孔至终孔位置，待钻孔最终施工完毕后，采用“两堵一注”封孔工艺对钻孔进行封孔。1—3号高位定向长钻孔封孔长度均为20 m，封孔完成8 h后即可接入矿井高负压抽采管路，抽采负压确定为13 kPa。

2.3 效果分析

封孔完毕后接入矿井高负压抽采管路进行抽采，并安排专人每天对3个高位定向长钻孔的瓦斯抽采参数进行记录，搜集整理3个高位定向长钻孔连抽60 d的瓦斯抽采数据，对测定结果进行统计分析，结果见图3、图4。

从图3可知，3个高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度为18%～45%。其中，1号孔瓦斯抽采浓度波动较大，瓦斯抽采浓度整体偏低。经过分析得知，该钻孔距离工作面回风巷道较近，受巷道掘进过程中采动的影响，巷道周边围岩产生大量裂隙，该区域部分瓦斯通过裂隙进入回风流，随风排出，从而导致钻孔内瓦斯浓度出现一定程度降低和波动现象。

从图4可知，1号孔平均日抽采纯量为3 116.25 m3，累计抽采纯量为37 395 m3;2号孔平均日抽采纯量为2 547.5 m3，累计抽采纯量为30 570 m3;3号孔平均日抽采纯量为3 646.67 m3，累计抽采纯量为43 760 m3。3个高位定向长钻孔经过一段时间的抽采后，瓦斯抽采纯量呈现快速提升的趋势，持续增加约20 d后，逐渐趋于平稳态势。经过分析可知，随着抽采时间的增加，工作面回采距离也在增加，由于采煤过程中不可避免地会遗留一部分顶煤或底煤，导致采空区瓦斯大量增加，进而导致3个高位定向长钻孔单日瓦斯抽采纯量出现急剧增长的趋势，最终达到峰值，逐步趋于平稳。同時，在工作面回采过程中，通过分析矿井在线监控数据发现，工作面上隅角瓦斯浓度最大为0.6%，巷道回风流中的瓦斯浓度最大为0.5%，均未超过《煤矿安全规程》规定的要求，工作面回采速度得到了较大提升，为矿井安全生产创造了良好条件。

3 结论

采用ZYWL-6000DS型煤矿用履带式全液压钻机施工高位定向长钻孔，对W1102工作面回采期间采空区瓦斯涌出进行治理，取得主要结论为以下几点。

①选择煤层顶板上方20～25 m为高位定向长钻孔施工层位，符合矿井生产实际情况，能有效抽采工作面采空区瓦斯。

②通过利用高效定向长钻孔抽采采空区瓦斯，工作面回采速度得到提升，采空区未出现异常情况。

③通过对高效定向长钻孔的瓦斯抽采效果进行分析，并结合回采过程中上隅角和回风流中的瓦斯浓度，认为高效定向长钻孔能够有效解决上隅角和回风流瓦斯浓度超限的问题，为矿井安全高效生产提供了技术保障。

参考文献：

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