高位定向长钻孔瓦斯抽采技术在高山煤矿瓦斯治理中的应用

摘 "要：为有效解决高山煤矿瓦斯超限问题，以50230工作面为研究对象，基于理论分析和计算确定高位钻孔的设计方案，并经过现场实测对比长距离定向高位钻孔和定向顺层钻孔2种技术的瓦斯抽采效果和工程效益。结果表明，定向高位钻孔的单位抽采量相对于顺层钻孔更为显著，实现1.3～2.1倍的提高，体现较好的社会和经济效益，保证矿井的安全高效生产。

关键词：高位定向钻孔；瓦斯抽采；钻孔设计；高山煤矿；瓦斯治理

中图分类号：TD712 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-0189-04

Abstract： In order to effectively solve the problem of gas over-limit in alpine coal mine， taking 50230 working face as the research object， the design scheme of high-angle drilling is determined based on theoretical analysis and calculation. Through field measurement， the gas drainage effects and engineering benefits of long-distance directional high-angle drilling and directional bedding drilling are compared. The results show that the unit extraction capacity of directional high-angle drilling is more significant than that of bedding drilling， which increases by 1.3～2.1 times， reflects better social and economic benefits， and ensures the safe and efficient production of the mine.

Keywords： high-angle directional drilling; gas drainage; borehole design; alpine coal mine; gas control

煤矿瓦斯抽采作为关键的安全措施，在煤矿生产中占据着重要地位。其主要目的是通过有效降低工作面瓦斯浓度，从而预防瓦斯爆炸的发生。这项技术手段不仅关系到矿工的人身安全，更是整个煤矿实现安全高效生产的重要保障。与此同时，瓦斯作为一种清洁能源，高效抽采不仅可以减少对大气环境的污染，还能将其转化为可利用的资源，实现变废为宝。因此提升瓦斯抽采效率，不仅有助于煤矿减少环境负担，还能够在资源利用方面取得显著的经济和环保效益[1-3]。然而，目前矿井瓦斯抽采却存在着一系列问题。特别是普通履带钻机无法按照设计轨迹进行施工，导致抽采过程中出现空白带，进而影响抽采效果。解决这一问题对于提升煤矿瓦斯抽采的整体效能至关重要[4-7]。因此，未来的研究和技术创新应该着眼于克服这些技术难题，以确保煤矿瓦斯抽采能够更加稳定、高效地进行，最终实现安全可持续的煤矿生产。通过长距离定向钻孔技术，能够有效地控制钻孔轨迹，根据煤层的起伏情况随时调整钻孔的角度，从而确保在矿井开采过程中瓦斯治理的有效性[8-12]。以高山矿50230工作面为研究对象，采用高位定向钻孔的方法来解决近距离煤层回采中可能出现的瓦斯问题，比较了长距离定向高位钻孔与定向顺层钻孔工程量之间的关系，以比较2种瓦斯治理措施的效益和成本。期望能够在煤矿开采中提高瓦斯治理的效能，同时在资源开采中降低潜在的瓦斯风险，为矿工的安全提供可靠的保障。

1 "矿井概况

高山矿位于贵州省黔西市，井田面积为8.45 km2，煤矿设计年产量每年90万t。主要有5#、7#、9#可采煤层，以50230工作面（7#煤层）为主要研究对象，平均厚度为5.5 m。矿井瓦斯情况较为复杂，绝对瓦斯涌出量为82.43 m3/min，而综采工作面的瓦斯涌出量为44.27 m3/min。煤层特性较差等问题造成瓦斯抽采过程中面临诸多问题。为了确保矿井回采的效率和安全性，采用定向钻进工艺在巷道打高位拦截钻孔，解决煤层透气性差的问题，提高瓦斯抽采效果，确保回采工作面上隅角瓦斯积聚不超标准上限。

1.1 "工作面地质概况

高山矿井50230工作面长度为2 750 m，倾向长为200 m，正断层走向为210°，倾角50°，落差2～5 m，西至15060轨道巷。邻近50233工作面位于矿井的东北部，东至井田边界范围为510～575 m，南部与50230工作面采空区相邻，留8 m煤柱保护。50233工作面煤层较为稳定，其厚度在4.6～5.6 m，胶带运输顺槽厚度大于轨道运输顺槽，平均为4.6 m，煤层结构简单，无夹矸发育，稳定可采，且50233周边无其他采掘工作面，为工作面的安全稳定提供了有利条件。

1.2 "煤层瓦斯赋存情况

在煤矿开采过程中，通过煤层瓦斯地质图分析可知，50230工作面主要开采的7#煤层瓦斯含量介于4.0～6.0 m3/t，压力在0.3～0.4 MPa。在15060胶带顺槽掘进期间，该工作面的绝对瓦斯涌出量达到2.7 m3/min，相对涌出量为0.68 m3/t。9号煤层埋深在560～627 m，最深部位于停采线位置，因此地应力较高，透气性较低。瓦斯含量在整个工作面整体上呈现变化较小的趋势，但在局部区域却存在较大的波动，埋深越大瓦斯含量相对升高。

2 "高位定向钻孔设计

2.1 "工作面覆岩“两带”高度确定

煤矿岩层自上而下分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。覆岩“两带”的高度受多个因素的综合影响，其中包括覆岩性质、采厚以及采矿方式等。计算高位钻孔高度Hz时，需考虑采高、煤层倾角以及直接顶抗压强度等条件。以50233工作面5#钻场控制区域为例，采高为3.5 m，煤层的平均倾角为12°，直接顶抗压强度分布在20～40 MPa。为了更准确地确定“两带”高度，可采用经验公式计算垮落带高度Hm和裂隙带高度Hc。这些计算不仅有助于评估覆岩的稳定性，还为采煤工作面的设计和管理提供科学依据，具体为

式中：M为累计采高，m；f为煤分层数。

经过式（1）和式（2）计算得出，高山煤矿工作面钻孔控制区域冒落带高度为10.5～14 m；裂隙带高度为45.6～55.8 m。

2.2 "长距离高位定向钻孔横向间距设计

在采空区瓦斯治理方面，本研究采用“O型圈”流动理论，该理论认为裂隙从煤层中部向两侧转移，最终形成离层裂隙发育带。为了有效应对瓦斯问题，通过布置定向长钻孔来降低煤工作面瓦斯浓度。在裂隙发育区域，如图1所示，设计长距离高位定向钻孔，以达到优化瓦斯治理效果的目的。遵循高度方向按裂隙带发育范围设计参数的原则，根据采矿地质条件在水平方向上进行了相应的调整。根据50230工作面的地质条件，在距离巷帮10～30 m布置了高位定向钻孔，其中冒落带的高度为10.5～14 m，而裂隙带的高度则在45.6～55.8 m。在50233工作面的7#煤层钻场设计中，设计了6个高位定向长钻孔。为了确保钻孔的设计能够实现瓦斯治理的目标，制定了详细的钻场控制区域设计方案，具体见表1。

2.3 "实际施工情况

2022年9月5日—12月10日期间，50230工作面风巷距离切眼1 000 m处7# 煤层进行了高位定向钻孔的工程性施工，共计施工6个顶板定向长钻孔，合计进尺3 894 m，下筛管总长度2 964 m，钻孔施工参数见表2，施工剖面如图2所示。

3 "效益对比分析

3.1 "钻孔瓦斯浓度、抽采量对比分析

在2022年9月5日—12月10日期间，50230工作面7#煤层进行了长钻孔作业。当钻孔深度达到150 m时，卸压孔段低导致钻孔有效控制范围受限，同时瓦斯上升趋势显著。随着钻孔深度的增加至270 m，尽管有效控制范围有所增加，瓦斯浓度并没有明显增高，但仍保持相对较高水平。达到360 m深度时，钻场抽采纯量显著下降，但瓦斯浓度趋于稳定。这一过程表明在钻孔深度不同阶段，钻场的瓦斯动态经历了明显的变化。值得注意的是，当工作面进入1#、3#钻孔影响范围时，发现拦截钻孔抽出高浓度瓦斯的情况，导致抽采浓度显著降低。这意味着在施工位置钻孔的瓦斯释放特性可能受到其他因素的影响，使得抽采过程中的瓦斯浓度出现异常的波动。

在50230工作面的瓦斯抽采试验中，观察到定向高位钻孔和顺层钻孔之间存在显著的浓度差异（图3）。具体而言，定向高位钻孔的瓦斯抽采浓度范围为44.8%～79.2%，抽采效果明显优于顺层钻孔的瓦斯抽采效果。而且相比较于单孔瓦斯抽采量，定向高位钻孔的瓦斯抽采浓度约为顺层钻孔的1.3～2.1倍。对平均单孔混合量的观察显示，高位钻孔的混合量约为7.4 m3/min，而顺层钻孔仅为1.62 m3/min，呈现明显的差距。值得注意的是，在低透气性煤层中，定向高位钻孔在裂隙带内的瓦斯抽采效果明显优于顺层钻孔。经过定向高位钻孔连续抽采后，50230工作面未出现瓦斯超限问题，因此取消了上隅角埋管抽采防治瓦斯措施。综合考虑以上观察结果，得出结论：在50230工作面采用定向高位钻孔能够有效改善瓦斯抽采效果，为煤矿安全生产提供了可行的技术支持。

3.2 "施工难度对比分析

在50230工作面的定向钻孔中共打6个钻孔，其中2#和4#位于上层，与7#煤层顶板的距离为24～27 m。然而在钻孔过程中，2#和4#孔在穿越灰岩时出现了速度缓慢的问题，伴随憋泵、卡钻和返渣不畅的困扰。与此同时，钻孔的层位存在差异，1#、3#和5#孔位于下层，与7#煤层顶板的距离为17～18 m。在50230轨道顺槽施工中，面临了2个主要问题。首先，前50 m的施工破坏了煤层的完整性，导致了内压的增大。其次，在局部地点发生了塌孔现象，由于15#号煤层的坚固性较低，造成了易塌孔的情况。在钻孔施工的过程中，出现了响煤炮的现象，不过随着施工的进行，这一现象在施工50 m后逐渐减少。总体来看，高位定向钻孔具有更高优势，主要表现在施工过程相对顺利，施工周期较短，且在瓦斯治理方面表现出高效率。然而，在施工中仍需解决钻孔速度慢、层位差异、施工破坏煤层和塌孔等问题，以进一步提升施工质量和效率。

4 "结论

在煤矿开采中工作面岩垮落带和裂隙带特征对于瓦斯治理具有重要的影响。高山煤矿工作面岩垮落带的高度介于10.5～14 m，而裂隙带的高度则在45.6～55.8 m。经过不同工作面进行钻孔瓦斯抽采试验发现，定向高位钻孔的单位抽采量相对于顺层钻孔更为显著，达到了1.3～2.1倍的提高，从而有效提升了瓦斯抽采效率。这一创新性的技术应用不仅在经济层面上表现出成本的降低，而且在瓦斯治理效果上取得了显著的提升，优于传统的顺层钻孔方法。该技术有效地解决了工作面上隅角瓦斯治理的难题，为煤矿高效开采提供了可行的、高效的解决方案。

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