基于定向钻进技术的掘进工作面除尘方案设计

孟 琪

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

在巷道掘进过程中，粉尘与瓦斯释放量较大，对作业人员存在危害。现有除尘方案存在占地面积大、施工作业工序复杂、抽采效果差等缺陷。针对煤矿井下巷道掘进过程中现有的除尘问题，采用煤矿井下定向钻进技术，结合对朱仙庄矿、芦岭矿的施工情况，编制本方案。

1 研究地区掘进背景

某矿井煤层倾角3°～9°，平均煤厚 6.8 m，顶板为砂质泥岩或泥岩，局部为粗粒砂岩，底板以泥岩为主，次为粉砂岩，工作面所掘煤层为二叠纪8#煤层。煤岩层总体近南北走向，为一宽缓向西倾斜的单斜构造，煤层倾角为3°～5°，平均4°，详见表1、表2。

表1 煤层特征情况

表2 煤层顶底板情况

掘进段距三(下)盘区辅运巷 745 m 开始，至设计巷道井田边界范围。受古河流冲刷，掘进范围内煤层厚度变薄，顶板岩性由泥岩变为砂岩。可能存在断裂构造，局部发育有同煤层走向一致的裂隙带，从而导致顶板破碎及淋水增大，须加强顶板管理和排水措施。

掘锚机掘进时，巷道一次成巷。掘锚机在激光指向仪的导向下掘进，每次循环割入煤体 1.0 m。掘锚机掘进截割时，截割头首先升至巷道顶板，切入煤体(切入深度 1.0 m)，从上而下截割。当割到煤层底板时，收截割头，截割底煤，再次将截割头调整至巷道中部。当顶帮全部支护完成后方可再进行下一个循环。详见图1。

图1 掘锚机掘进巷道截割轨迹循环图

现有除尘设计主要集中于以下措施：

1)安设降尘喷雾：在距工作面 50 m 范围内设置1道净化风流水幕，在全风压回风 100 m 以内设置2道全断面风流净化水幕，水幕喷头间距不大于 0.8 m，并设置防尘喷雾滤网；掘进工作面履带式转载破碎机前后及各转载点设置一道喷雾；回风流喷雾距回风口大于 1000 m 时，每隔 500 m 加设一道喷雾。

2)安设隔爆水棚。

3)定期冲洗巷道。胶运顺槽每旬冲洗一次，转载点处 20 m 范围内每天冲洗一次，冲洗时要对巷道的顶、底、两帮、管线、电缆、风筒、胶带输送机架子上的煤尘要冲洗干净，防止粉尘堆积。

2 本方案除尘系统设计

2.1 总体方案设计

掘进工作面与除尘钻孔内的压差是除尘钻孔实现的前提。将于81311辅运39联巷设置钻场，并布设3个除尘钻孔，孔径 210 mm。根据该煤矿提供的81311切眼掘进工作面迎头靶点坐标，借助定向钻进技术钻进至靶点位置[1]，钻孔布设位置及平面轨迹设计如图2、图3所示。

图2 除尘钻孔布设位置示意图

图3 除尘钻孔轨迹示意图

2.2 定向钻孔设计

除尘钻孔水平间距约为 1.5 m，垂直方向位于巷道中上部。本煤层钻孔井壁稳定性好，为最大限度提高钻孔通风量，同时兼顾井壁稳定性，除尘钻孔终孔直径设计为 210 mm，借助精确定向钻进技术及该煤矿提供靶点坐标数据[2]，确保全孔段钻孔均位于掘进断面中上部。

除尘钻孔结构设计如图4。

图4 除尘孔钻孔结构示意图

如图4所示，一开φ120 mm 钻头开孔钻进至 16 m，逐级扩孔至 315 mm，下入φ250 mm 套管 16 m，连接煤气水分离器，连接负压后边钻边抽；二开φ120 mm钻头正常钻进，依据该矿所提供靶点数据进行轨迹设计，保证钻孔轨迹位于煤层中上部位，达到目标孔深后逐级扩孔至 210 mm。图5、图6为除尘钻孔轨迹示意图。

图5 钻孔平面图

图6 钻孔剖面图

2.3 施工工艺设计

本次施工将根据煤矿提供的靶点参数，设计最优钻孔轨迹，采用水平定向钻进工艺，保证除尘效果最大化[3]。

水平定向钻进工艺是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具，使水平钻孔轨迹按设计要求延伸至预定目标的钻探方法。图7为定向钻进工艺流程图。

图7 定向钻进施工工艺

定向钻进完成后，更换钻头并逐级扩孔至 210 mm，封孔后连接负压，完成除尘钻孔施工流程[4]。

3 应用效果评价

在预掘巷道空间范围内施工大直径超前钻孔，接入负压抽放管路，通过负压抽排粉尘及瓦斯。现有施工方案试验于多个矿井，均取得良好效果：在淮北朱仙庄矿岩巷掘进过程中，降尘效率最大可达到97.2%；在芦岭矿煤巷掘进过程累计抽采瓦斯纯量22.1万m3。应用结果表明，大直径超前定向钻孔在降尘、除瓦斯等方面效果明显，对煤矿安全生产、改善作业环境、提高施工效率等方面均具有重要意义[5]。