定向长钻孔超前治理掘进工作面瓦斯技术研究

张潞路

(山西潞安矿业(集团)有限责任公司 古城煤矿， 山西 长治 046000)

目前，瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯综合治理和利用的主要途径与根本措施，为了实现矿井的安全高效高产，必须通过有效的抽采措施，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，从而确保煤矿采掘作业的安全高效。经过几十年的工程实践和研究，我国建立了以钻孔和巷道为主的井下抽釆模式和井上下联合立体综合抽釆模式[1-2]. 煤矿井下煤层钻孔抽釆方法可应用于所有抽釆对象，适用范围广，可实现区域递进式煤层卸压抽釆，是我国煤矿瓦斯的主要治理方式[2-4]. 但是随着采掘深度和采掘强度的不断增加，该工艺在掘进工作面瓦斯治理中逐渐暴露出一些问题：由于工作面走向长，普通钻孔孔深较浅，需将整个煤巷掘进条带分为若干个循环，每个循环均需采取钻孔—瓦斯抽采达标—掘进的过程，工期较长，影响矿井采掘接替，亟需探索合理的瓦斯治理方法。

近年来，千米钻机施工定向钻孔工艺逐步在煤矿瓦斯治理领域得到推广。该工艺具有成孔深，钻孔轨迹可控，可一个钻孔循环覆盖整个掘进条带，同时按照设计轨迹达到目标层位等优点[4-5]. 潞安古城煤矿为了超前治理煤层条带瓦斯，有效缩短抽掘衔接工期，缓解矿井采掘接替紧张问题，引入了定向长钻孔治理掘进工作面瓦斯技术。但是在应用过程中，遇到了煤巷掘进后在迎头方向的定向长钻孔失效问题，迎头长钻孔不能长时间持续抽采，造成钻孔利用率低。为此，提出了主孔在岩层中布置，在煤层中不同区域布置分支孔的定向长钻孔抽采方式，并在古城煤矿现场进行工业试验。

1 工程背景

根据古城煤矿采掘部署情况，选择在南翼胶带掘进工作面进行定向长钻孔超前抽采高效掘进技术研究。南翼胶带大巷掘进工作面从南2盘区大巷10#贯开口，东侧与南翼辅运大巷平行相邻，西侧与南翼2#回风大巷平行相邻。南翼胶带大巷反掘主要布置在3#煤层中，沿煤层顶板掘进。3#煤层位于山西组下部，3#煤层纯煤厚度 3.35～9.65 m，平均6.05 m，煤层平均倾角为-15°～+8°. 工作面煤层底板等高线为320～356 m，工作面设计长度435 m，巷道宽度5.7 m、断面高度4.2 m，巷道断面为23.94 m2. 煤层顶板由下而上岩性依次是：砂质泥岩、细粒砂岩、砂质泥岩；底板由上而下岩性依次是：砂质泥岩、细粒砂岩、砂质泥岩，该煤层属稳定型煤层。

2 掘进工作面定向长钻孔布置与轨迹优化

2.1 定向长钻孔合理布置原则

古城煤矿分别在多个地点进行过本煤层定向长钻孔施工，试验区域煤层坚固性系数为0.37～0.62，平均0.49，钻孔平均长度400 m，但有部分钻孔长度超过300 m时，就因塌孔而无法继续钻进。而千米钻机顺煤层钻孔较为成功的晋城地区煤矿平均孔深可达800 m以上，坚固性系数在0.78～1.64[9]. 通过对比可以发现，古城煤矿的煤体坚固性系数相对较低是导致钻孔深度较浅的重要原因。因此，不建议直接在煤层中利用千米钻机施工长距离定向钻孔。通过分析现场已经施工钻孔的稳定性，结合古城煤矿掘进工作面特征提出以下定向长钻孔的布置原则：

1) 将定向钻孔主孔布置在距煤层一定距离的强度较高的顶(底)板岩层中，增强钻孔稳定性。

2) 定向钻孔保持仰角施工，及时排渣排浆，减削水的弱化作用。

3) 定向钻孔设计轨迹尽量简单、平滑，减弱钻孔围岩应力集中的影响，增强钻孔承受能力。

4) 靠近巷道的第一个钻孔与巷道轴线距离大于 2 倍的巷道等效半径，使得钻孔避开由巷道开挖引起的应力集中范围，并且单独抽采。

5) 顶板主孔隔一定距离向下(向上)开分支，分支孔尽量在煤层中延伸，增大抽采卸压范围。

6) 施工短距离本煤层超前预抽补充孔，这是由于千米钻孔布置在顶板以后钻场前方存在抽釆盲区。

2.2 定向长钻孔优化布置方式

根据古城煤矿掘进巷道瓦斯治理的实际需求，一方面要提高抽釆钻孔成孔率，另一方面要保障抽采效果。基于两个目的，结合定向千米钻机性能，提岀釆用“梳状”定向长钻孔超前预抽远距离煤层瓦斯掩护巷道掘进。该方法将定向长钻孔主孔布置在岩层中，使之长时间存在，并从主孔向煤层施工分支钻孔，以期达到“一孔多用”的效果。即“梳状”定向长钻孔前期以分支孔直接预抽煤层瓦斯；中期利用钻孔自身和掘进巷道的双重卸压效果，主孔段和分支孔均可发挥作用抽釆煤层卸压瓦斯；后期随着回采工作面的推进，可继续利用钻孔进行工作面前方卸压瓦斯抽采或者工作面上隅角瓦斯抽釆。在此基础上，根据钻孔主设计方位与预掘巷道的空间位置关系，提出“纵向”和“横向”两种瓦斯抽釆钻孔布置方式。

1) 纵向布置方式。

当钻孔主设计方位与掘进巷道在空间呈垂直关系时，将这种布置方式称为“梳状”定向长钻孔纵向布置方式，见图1. 利用千米钻机长距离钻孔和拐弯钻孔的特点，向邻近接替工作面施工顶板或底板主钻孔，覆盖2～3个接替工作面，以期可实现区域性煤层瓦斯预抽，每隔一段距离向下或向上施工分支孔，沟通煤层以增大卸压范围、提高抽采效果。

图1 “梳状”定向长钻孔纵向布置方式图

2) 横向布置方式。

当钻孔主设计方位与掘进巷道在空间上平行时，将这种布置方式称为“梳状”定向长钻孔横向布置方式，见图2. 由于主钻孔布置在顶板或底板，前方抽釆区域出现盲区，需要施工一定距离的本煤层超前预抽补充孔。

图2 “梳状”定向长钻孔横向布置方式图

2.3 定向长钻孔轨迹设计

在南翼胶带大巷8号钻场处按照“梳状”定向长钻孔纵向布置方式进行设计(图3)，共设计6个定向钻孔，合计37个分支，分别是1#钻孔459 m(15个分支)、2#钻孔459 m(2个分支)、3#钻孔456 m(3个分支)、4#钻孔430 m(3个分支)、5#钻孔426 m(13个分支)、6#钻孔150 m(1个分支)。

图3 “梳状”定向长钻孔设计平、剖面示意图

3 掘进面定向钻孔抽采效果分析

在南翼胶带大巷8号钻场定向钻孔竣工长度6 204 m(包含各支孔)，钻孔预抽煤体投影面积为30 030 m2，该区域煤体平均厚度为6.05 m，预抽煤量25.43万t，该区域原始瓦斯含量14.3 m3/t，瓦斯赋存量约为363.64万m3. 分析古城煤矿掘进工作面定向长钻孔的瓦斯治理效果，对南翼胶带大巷治理区域的定向钻孔抽采量、煤层残余瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标、工作面风流瓦斯浓度及掘进速度进行跟踪测试与对比分析。

3.1 钻孔抽采量

通过流量测定装置和光干涉式甲烷测定仪对定向钻孔的抽采浓度、抽采流量进行了跟踪测试，6个月内各钻孔的抽采浓度可达50.56%～85.84%，抽采纯量可达0.2～0.35 m3/min，抽采效果良好。相关参数见表1.

表1 定向钻孔抽采参数表

3.2 残余瓦斯含量

经过6个月的预抽后，在南翼胶带大巷反掘过程中施工钻孔测定残余瓦斯含量，测点位置位于原测点附近，共布置4个测点，每个测点采集3号煤层煤样1个，并进行瓦斯含量测试，测试结果与原始含量见表2.

表2 残余瓦斯含量测试结果表

将原始瓦斯含量与残余瓦斯含量测试结果进行对比，经过6个月的预抽，南翼胶带大巷4个测点的瓦斯含量得到不同幅度的降低，瓦斯含量降幅最大达到58%，瓦斯含量均小于7 m3/t.

3.3 钻屑瓦斯解吸指标

在南翼胶带大巷反掘工作面掘进期间进行抽采效果检验，测定钻屑瓦斯解吸指标K1，共计施工3个长度为10 m的钻孔，每2 m取1个煤样，利用WTC型瓦斯突出参数仪进行测试，共计测试15个指标，并与抽采前的测试数据进行对比，南翼胶带大巷测点处的K1值均大幅减小，降幅21%～56%，最大降幅达到56%，见图4.

图4 抽采前后K1值对比图

3.4 掘进面回风流瓦斯浓度对比

通过调取2021年10月1日—10月15日南胶延伸段与南辅延伸段的回风流瓦斯浓度当日最大值，对是否采用定向钻孔抽采的掘进工作面瓦斯浓度进行对比，其中南翼胶带巷掘进工作面掘进期间回风流最大瓦斯浓度为0.11%～0.34%，未采取定向钻孔抽采方式的南翼辅运大巷最大瓦斯浓度为0.31%～0.59%. 说明优化后的定向钻孔预抽瓦斯效果非常好，有效解决了制约掘进工作面快速掘进的瓦斯问题，瓦斯浓度对比见图5.

图5 回风流瓦斯浓度对比图

4 结 论

根据古城煤矿定向钻孔的工程实践与煤层情况，提出釆用顶(底)板“梳状”定向长钻孔纵向布置的方式掩护预抽掘进巷道煤层瓦斯，将瓦斯抽釆钻孔主孔的一段布置在煤层顶板岩层中从而增强钻孔稳定性，其次通过主孔每隔一定距离向下施工分支孔深入煤层从而保证抽釆效果。

通过在掘进工作面采用定向长钻孔预抽后，南翼胶带大巷的瓦斯含量得到不同幅度的降低，瓦斯含量降幅最大达到58%；南翼胶带大巷测点处的K1值均大幅减小，降幅为21%～56%；南翼胶带巷掘进工作面掘进期间回风流最大瓦斯浓度0.11%～0.34%，未采取定向钻孔抽采方式的南翼辅运大巷最大瓦斯浓度0.31%～0.59%，说明优化后的定向钻孔预抽瓦斯效果较好，有效解决了制约掘进工作面快速掘进的瓦斯问题，掘进工作面瓦斯浓度始终控制在0.5%以下。