高突矿井定向长钻孔瓦斯抽采技术应用研究

宋勇峰

（晋能控股集团寺河煤矿，山西 晋城 048006）

0 引言

对突出煤层进行区域防突措施的实施及区域措施效果检验，是煤层进行采掘作业前的必要工序。为达到有效消除煤层突出危险性的目的，针对突出矿井普遍采用保护层开采或在煤层的底板下部施工岩石巷道以施工穿层钻孔的预抽方法，对突出煤层进行超前预抽采[1-2]。为了达到快速降低煤层瓦斯含量或瓦斯压力的效果，矿井多采用加大巷道或钻孔工程量来缓解抽掘采衔接紧张的局面，导致施工成本大、劳动力浪费严重等问题[3]。

国家煤矿安全监察局于2019 年下发的《防治煤与瓦斯突出细则》中明确规定，可以将定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施来进行实施。这也进一步表明，我国部分矿井在应用定向长钻孔进行区域防突措施执行上已取得了显著效果[4-5]。定向长钻孔预抽是在已消除突出危险的煤层巷道内向存在突出危险的煤层施工定向长钻孔，从而达到长距离、全覆盖、短抽采和快掘进的瓦斯治理效果[6]。但目前针对定向长钻孔抽采技术的研究较少，基于此，本文开展定向长钻孔的瓦斯抽采技术研究。

1 千米定向钻孔抽采施工方式

1.1 岩巷穿层定向钻孔瓦斯抽采技术

在煤层下部施工的岩石巷道中，在巷道两侧每间隔50～80 m 处施工定向钻孔，钻孔向未掘进的上部煤层方向钻进。钻孔进入煤层后沿着煤层走向钻进，钻孔长度一般保持在500～600 m。在巷道两侧一定间距施工千米定向钻孔，可实现对未掘进煤层的覆盖超前抽采，可有效拦截瓦斯向掘进巷道空间中渗出。钻孔的布置图如图1 所示。

图1 底板岩石巷道定向长钻孔预抽

1.2 集中条带式定向钻孔瓦斯抽采技术

在对掘进工作面施工一定距离后，可对部分瓦斯赋存含量较高的区域进行定向长钻孔条带预抽采。主要是在工作面迎头及巷道两侧设置钻场，施工长度400～600 m 的定向长钻孔，以对掘进面前方煤体及巷道两侧15 m 范围的煤体进行强化抽采。在实施条带预抽采期间，可对其他掘进巷道进行掘进生产，实现交替式抽采、交替式掘进。集中条带式定向钻孔布置如图2 所示。

图2 本煤层巷道施工定向长钻孔条带预抽采

1.3 采空区高位定向钻孔瓦斯抽采技术

在工作面回采期间，若不对采空区瓦斯进行超前治理，煤体受采动应力破坏、顶板下沉及采空区遗留落煤等影响，采动卸压瓦斯会在生产期间向上隅角移动并产生积聚。高位定向钻孔是在回采工作面设置钻场，钻场间距200 m 左右，钻场内施工3～5 个顶板定向长钻孔，钻孔层位依据工作面采高确定，一般设置在工作面采高6～8 倍处。通过在工作面设置多个钻场，前后定向钻孔可实现10～15 m 的压茬长度，可保障工作面正常生产期间定向长钻孔的持续高效抽采。采空区高位定向钻孔布置如图3 所示，高位定向钻孔剖面图如图4 所示。

图3 顶板高位钻孔采空区抽采

图4 采空区高位定向钻孔剖面图

1.4 区域递进式定向钻孔瓦斯抽采技术

采区巷道掘进过程中，在开采煤层临近巷道内合理布置钻场，提前向开采煤层内施工钻孔，利用千米钻机施工定向钻孔覆盖整个开采煤层，提前将开采煤层内的瓦斯进行抽放，达到降低瓦斯含量的目的。当采煤工作面圈定完成后可以直接进行回采，可提高采煤效率，保证采煤工作的顺利进行。区域递进式定向长钻孔布置如图5 所示。

图5 区域递进式定向抽采示意图

2 各类千米定向钻孔作用分析

1）岩巷穿层定向钻孔瓦斯抽采技术：掩护巷道施工，提高掘进效率。通过岩巷穿层钻孔，对巷道接煤点提前抽采，减小了煤层压力，为往后岩巷见煤提供安全保障。千米钻孔兼做探放水孔，有效覆盖各巷道，减少国产钻机施工探放水钻孔，减少工艺流程。

2）集中条带式定向钻孔瓦斯抽采技术：在巷道迎头及两侧布置钻场，利用高负压集中抽放这些钻孔，形成高负压、高浓度集中型抽放模式，在短时间内将顺槽巷道前方400～600 m 范围的煤体瓦斯涌出量降至8 m3/min 以下，最终保证巷道掘进不受瓦斯制约。减少了国产钻机作业工期及施工进尺。通过集中条带式定向钻孔，减少巷道两帮钻场布置，避免与国产钻机交叉作业，提高巷道掘进速度，节省施工工期。通过集中条带式钻孔探顶、探底，在施工巷道时予以参考，优化巷道布局。

3）采空区高位定向钻孔瓦斯抽采技术：提前向可采煤层顶板裂隙施工钻孔，综采队在回采过程中，有效消除了采空区上隅角瓦斯积聚，提高回采速度。有效解决工作面回采过程中上隅角瓦斯积聚，稳定区域回采探头，保持瓦斯体积分数在0.4%以下。通过西安12000 定向钻机配套设备施工120 mm 大孔径千米钻孔，一次成孔，每天有效进尺达到78～90 m/d，提高了钻孔进尺及成孔率。

4）通过千米钻孔瓦斯抽采，不仅减少了国产钻机的频繁施工，提高了抽放量，节省了大量的经济支出，还为各采面的衔接提供了有利的保障，同时，通过千米钻孔的探顶、探底，还能更加准确有效地向各有关部门提供可靠的瓦斯地质资料。

3 千米定向钻孔应用实例

3.1 定向穿层钻孔

利用岩巷穿层定向钻孔瓦斯抽采技术对东六回风巷西掘1 号和2 号千米钻场施工11 个千米钻孔，总进尺20 439 m，穿层定向长钻孔布置形式如图6 所示。

图6 岩巷穿层钻孔抽采示意图

在东六回风巷两侧布置千米钻场施工定向钻孔，钻孔设计深度400～600 m，每个钻孔先在岩层中施工，见煤后根据生产需要再施工一定深度。在岩层中的钻孔可以拦截瓦斯向巷道涌出，起到掩护巷道掘进的作用，在煤层中的钻孔可以直接抽放瓦斯，达到降低瓦斯含量的目的。

3.2 煤巷条带预测钻孔

利用集中条带式定向钻孔瓦斯抽采技术对东区北翼胶带巷、运输巷17 号横川千米钻场，东区北翼胶带巷、运输巷反掘1 号横川千米钻场等地方进行施工。东区北翼胶带巷、运输巷17 号横川千米钻场共施工11 个钻孔，总工程量13 506 m，东区北翼胶带巷、运输巷反掘1 号横川千米钻场共施工16 个千米钻孔，总工程量20 553 m。通过对东区北翼胶带、运输巷施工的集中条带式定向钻孔进行实时计量，27 个千米钻孔在3 个月的预抽时间内，共计抽采瓦斯量699.84 万m3，单个钻孔平均抽采量达到2 m3/min，通过抽采后的瓦斯含量测定，掘进工作面前方的残余瓦斯含量降至6.4 m3/t，保证了巷道掘进过程中不受瓦斯制约，可以顺利掘进。

53043 巷23 号横川千米钻场累计抽放瓦斯263.844 8 万m3，53043 巷22 号横川千米钻场累计抽放瓦斯334.753 2 万m3，53043 巷8 号横川千米钻场累计抽放瓦斯152.968 万m3，53043 巷6 号横川千米钻场累计抽放瓦斯120.332 5 万m3。通过对53043 巷各钻场布置羽状千米钻孔，提前向5304 工作面施工钻孔，利用千米钻机施工定向钻孔覆盖整个开采煤层，提前将5304 工作面内的瓦斯进行抽放，降低了煤层内的瓦斯含量，提高了采煤效率，保证了采煤工作的顺利进行。

4 结论

定向长钻孔作为区域防突措施之一，在寺河煤矿得到了广泛应用。应用岩巷穿层定向长钻孔预抽、集中条带式定向钻孔预抽、采空区高位定向钻孔抽采及区域递进式定向钻孔抽采等方式对煤炭回采前和回采期间的瓦斯进行治理，是既节约成本又可实现高效率抽采的治理方法。工程实践表明，定向长钻孔预抽既降低了煤层内的瓦斯含量，又提高了采煤效率，保证了采煤工作的顺利进行。