高位定向长钻孔在综采工作面裂隙瓦斯抽采中应用

刘振杰

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500）

相关研究表明，采面回风流瓦斯中约有50%来自于采空区[1-2]，采空区瓦斯涌出量增加极其容易引起回风隅角瓦斯超限[3]。现阶段回风隅角瓦斯治理措施包括有地面钻孔、高抽巷、采空区埋管、高位定向钻孔以及常规高位钻孔等[4-5]。上述治理措施在煤矿均有应用，但是均不同程度存在一定弊端，其中地面钻孔在浅埋煤层中应用较为广泛，虽然抽采瓦斯浓度较高、施工安全性较好，但是治理成本高昂、钻孔利用率低下；高抽巷法虽然抽采流量较大，但是面临经济投入大、管理难度高等问题；采空区埋管存在瓦斯治理效率低问题；常规高位钻孔虽然有成本低、便于施工以及操作简单等优势，但钻孔轨迹不容易控制，往往导致抽采效果不佳。高位定向钻孔可实现钻孔定位，同时钻孔服役时间长、覆盖范围广，在煤矿井下超前探测、瓦斯治理中应用呈增加趋势。将高位定向钻孔应用到采面裂隙瓦斯抽采中，具有下述主要优势：钻孔轨迹可孔，可实现目标层位瓦斯高效抽采；钻孔覆盖范围广，可实现长距离瓦斯抽采并增加钻孔利用时间；钻场可布置在回风巷内，不需要额外施工钻孔。文中就以山西某矿30902 综采工作面瓦斯治理为工程背景，对高位定向长钻孔瓦斯抽采应用情况进行分析，以期为其他矿井瓦斯治理工作开展提供经验参考。

1 工程概况

山西某矿井田面积为79 km2，批准开采煤层包括有2#、5#、9# 及10# 等，设计产能300 万t/a，矿井属于高瓦斯矿井，开采期间绝对瓦斯涌出量、相对瓦斯涌出量分别为15.89 m3/min、1.66 m3/t。30902 综采工作面开采9#煤层，煤层赋存稳定，埋深均值380 m，厚度3.92 m、倾角8°，顶底板以稳定、致密的砂岩、砂质泥岩及石灰岩为主。30902 综采工作面设计推进2 380 m、斜长230 m，采高为3.2 m，是现阶段矿井唯一在采工作面，采面采用U 型通风方式。在采面开采期间，支架上部、松散煤体以及采空区等位置涌出瓦斯容易在机尾垮落空顶处、支架尾部等位置集聚，当回风隅角微风或者采空区顶板垮落时，容易造成回风隅角瓦斯超限，给采面安全生产带来较大制约。

经过调研并结合矿井实际情况，提出采用以定向高位钻孔为主、隅角瓦斯抽排为辅的瓦斯治理措施，现场应用取得较为显著成果。

2 高位定向钻孔布置参数

2.1 钻孔布置层位

30902 综采工作面回采9#煤层厚度均值3.92 m，煤层顶板为中硬岩层，开采后顶板冒落带（Hm）、裂隙带发育高度（H）可分别通过公式（1）～（2）计算：

式中：M 表示采面开采高度。通过上述公式计算得到Hm=8.2～13.2 m，H=13.4～26.4 m。

结合以往裂隙瓦斯抽采经验，将钻孔布置在距离回风巷10～22 m 范围内时瓦斯抽采效果较为显著。结合顶板冒落带、裂隙带发育情况，最终确定高位定向钻孔层位为9#煤层顶板20～26 m 位置，水平方向上与回风巷间距为10～22 m。

2.2 钻进设备及钻孔施工

高位定向钻孔施工采用矿井已购的型号ZDY6000LD 钻机及其配套设备，具体采用的钻进设备技术参数，如表1 所示。

表1 钻进设备技术参数

高位定向钻孔结构包括有开孔套管段、定向造斜爬坡段以及定向稳斜孔段，具体现场施工的钻孔结构参数，如表2 所示。在30902 综采工作面回风巷与切眼相互450 m 位置施工一个高位定向长钻孔钻场，在钻场内施工3 个高位定向长，具体钻孔施工参数，如表3 所示。

表2 高位定向长钻孔结构参数

表3 高位定向长钻孔施工参数

为对比高位定向长钻孔治理效果，在采面回风巷内布置按照80m 间距布置4 个常规高位钻场（布置位置分别为距离切眼80、160、240、320 m），常规高位钻场内钻孔施工参数一致，具体钻孔参数，如表4 所示。

3 高位定向长钻孔瓦斯抽采效果

在30902 综采工作面回采期间对高位定向长钻孔、常规高位钻孔瓦斯抽采情况进行统计，具体如表5 所示。从表中可以看出，高位定向长钻孔瓦斯抽采纯量、抽采率较常规高位钻孔高分别为3.72 倍、3 倍，高位定向长钻孔有效抽采时间较普通场钻孔的330 h 高约4.15 倍。

在30902 综采工作面在100～150 m 区间回采时，对高位定向长钻孔、常规高位钻孔进行交替接抽试验（即交替开启、关闭抽采负压，同一时间内仅用一种瓦斯抽方式）并记录回风隅角位置瓦斯浓度（瓦斯体积分数，下同）变化情况，具体如图1 所示。从图中看出，当仅采用常规高位钻孔接抽时，回风隅角位置瓦斯浓度介于0.98%～1.1%，会风隅角位置瓦斯传感器频繁报警；仅采用高位定向长钻孔接抽时，回风隅角瓦斯浓度降至0.43%～0.56%，回风隅角瓦斯浓度在安全范围内，可保证采面安全回采需要。现场应用实践表明，高位定向长钻孔可实现采空区裂隙瓦斯高效抽采，对降低回风隅角瓦斯浓度有显著作用。

图1 回风隅角瓦斯浓度变化曲线

4 结语

在采面裂隙瓦斯抽采时采用高位定向长钻孔可精准控制钻孔在目标层位内钻进，显著提升钻孔有效抽采段长度、实现瓦斯连续抽采并减少抽采盲区。在30902 综采工作面现场应用表明，施工的高位定向长钻孔瓦斯抽采纯量均值为2.12 m3/min，抽采纯量较普通的高位钻孔高约3.72 倍；钻孔瓦斯抽采时间较普通的高位钻孔增加约4.15 倍。在30902 综采工作面回采期间，高位定向长钻孔接抽后回风隅角位置瓦斯浓度控制在0.56%以内，可为采面安全回采创造良好条件。