厚煤層頂板定向鉆孔技術(shù)研究及應(yīng)用

由文舉

(龍煤七臺(tái)河礦業(yè)有限責(zé)任公司新鐵煤礦，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

煤礦瓦斯綜合治理體系日趨成熟，煤礦井下定向鉆孔技術(shù)在瓦斯抽采場(chǎng)景應(yīng)用過(guò)程中具有鉆孔軌跡控制能力較高、鉆孔深、單孔抽采能力強(qiáng)、衰減期較長(zhǎng)、抽采效率高、瓦斯抽采濃度高等優(yōu)勢(shì)。河北省某煤礦開采作業(yè)過(guò)程中，采用沿煤層底板掘進(jìn)的巷道作業(yè)模式，巷道高度整體維持在4m左右，雖然這種作業(yè)手段在開采效率層面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，但因其掘進(jìn)位置在煤層底板位置，巷道斷面面積很大，巷道內(nèi)部空氣流通速度較慢，很容易在頂板位置形成層流，可見瓦斯治理工作對(duì)工程策略與技術(shù)工藝的要求非常高。

1 厚煤層定向鉆孔在掘進(jìn)工作面中的技術(shù)原理與研究

1.1 本煤層瓦斯預(yù)抽環(huán)節(jié)

本煤層瓦斯預(yù)抽是指開采作業(yè)區(qū)域在未卸壓的情況下對(duì)瓦斯進(jìn)行抽放，此時(shí)煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)未被人為破壞，因此對(duì)后續(xù)掘進(jìn)作業(yè)的影響十分明顯。厚煤層頂板定向鉆孔作業(yè)中，鉆桿長(zhǎng)度如果超過(guò)600 m，則其瓦斯抽取量將會(huì)大幅上升，工作效率要明顯高于常規(guī)短鉆孔，因此工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)可使用定向長(zhǎng)鉆孔作業(yè)手段，對(duì)待開采區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽取，進(jìn)而削減區(qū)域煤層內(nèi)部的瓦斯含量與壓力。這種治理方式在瓦斯回收利用層面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，資源利用水平較高。

1.2 頂板泄壓高位鉆孔抽放

巷道掘進(jìn)工作開始后，煤層結(jié)構(gòu)將被破壞，巷道周邊及巷道前方的應(yīng)力分布將會(huì)出現(xiàn)變化，尤其是頂板位置的應(yīng)力變化更為明顯。依照巷道結(jié)構(gòu)特征，可將發(fā)生變化的應(yīng)力分布情況劃分為塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)等。工程經(jīng)驗(yàn)表明，塑性區(qū)全部及彈性區(qū)部分區(qū)域?qū)?huì)在巷道掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)煤層透氣性變化，這些區(qū)域被統(tǒng)稱為微裂松動(dòng)區(qū)，區(qū)域厚度通常與巷道的直徑相當(dāng)。微裂松動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)部，煤層與巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下滑，并形成范圍較大的松動(dòng)泄壓帶，煤層透氣性大幅上升，進(jìn)而引發(fā)瓦斯大量解析。隨著巷道掘進(jìn)工作的不斷延伸，松動(dòng)泄壓帶也會(huì)隨之增長(zhǎng)，因此在該區(qū)域?qū)嵤┒ㄏ蜚@孔的瓦斯抽取技術(shù)將取得良好的應(yīng)用效果。

2 實(shí)地情況及效果概述

河北某煤礦的煤層平均厚度超過(guò)7.5 m，為提高開采工作效率，工程團(tuán)隊(duì)采用沿煤層底板掘進(jìn)的全煤巷道模式，其頂板位置預(yù)留3 m左右的煤層，實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景與厚煤層頂板開采特性基本相符。厚煤層頂板的全煤巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，頂板煤層的壓力將會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而出現(xiàn)微裂松動(dòng)區(qū)，煤層透氣性大幅增加，瓦斯涌出量也隨之增長(zhǎng)。厚煤層頂板定向鉆孔技術(shù)需提前1～2年在待掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔實(shí)際深度最深應(yīng)維持在待掘巷道區(qū)域煤層頂板以下0.3 m～0.5 m，最淺位置應(yīng)維持在巷道頂板以上1.5 m～2.5 m，依照煤層的實(shí)際分布特點(diǎn)合理布局鉆孔位置，不斷降低待開采區(qū)域煤層內(nèi)部的瓦斯含量與瓦斯壓力，為開采作業(yè)過(guò)程創(chuàng)造更為安全的實(shí)施空間。巷道掘進(jìn)期間，頂板位置形成的微裂松動(dòng)區(qū)也會(huì)進(jìn)一步加快瓦斯的抽放速度，掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量控制效能十分良好。河北某煤礦在煤層瓦斯處理中應(yīng)用厚煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽放技術(shù)，在長(zhǎng)達(dá)17個(gè)月的超前抽采作業(yè)過(guò)程中定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，長(zhǎng)鉆孔內(nèi)部抽放瓦斯氣體濃度很高，其鉆孔抽取衰減周期很長(zhǎng)、鉆孔軌跡控制良好，指定煤層區(qū)域的瓦斯氣體含量得到有效控制。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，超前抽采完成后，預(yù)抽采率超過(guò)四分之一，煤層瓦斯氣體壓力被削減一半以上，為后續(xù)實(shí)施大巷道掘進(jìn)開采作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。大巷道掘進(jìn)過(guò)程中巷道頂板形成的微裂松動(dòng)區(qū)也被長(zhǎng)鉆孔充分利用，煤層頂部泄壓瓦斯被大量抽取。巷道掘進(jìn)時(shí)，雖然巷道空間內(nèi)部的瓦斯?jié)舛嚷杂猩仙?，但始終被控制在0.3%以下。

3 厚煤層頂板定向鉆孔施工與應(yīng)用

3.1 設(shè)置鉆孔位置及各項(xiàng)工作參數(shù)

第一，鉆孔布設(shè)原則。鉆孔位置最深處應(yīng)控制在煤層頂板下方的0.3 m～0.5 m，其最淺位置應(yīng)控制在巷道頂板上方的1.5 m～2.5 m，鉆孔軌跡分布設(shè)計(jì)工作也要嚴(yán)格遵照地質(zhì)部門提供的區(qū)域煤層剖面圖，軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)具有針對(duì)性。鉆孔深度與鉆孔位置應(yīng)具備足夠的精準(zhǔn)度，并將鉆孔作業(yè)過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以CAD坐標(biāo)的形式展現(xiàn)出來(lái)，便于管理人員對(duì)其進(jìn)行分析，及時(shí)找到偏差。鉆孔過(guò)程要根據(jù)地質(zhì)變化進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，充分利用定向鉆孔技術(shù)模式的工程優(yōu)勢(shì)，提高抽采效率。第二，鉆孔設(shè)計(jì)?？山⑷S空間模型，依照前期勘探及地質(zhì)部門提供的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析煤層可能出現(xiàn)的變化，計(jì)算出與鉆孔軌跡相關(guān)的各個(gè)控制點(diǎn)及靶點(diǎn)的平面坐標(biāo)值。鉆孔垂直深度與傾角要根據(jù)煤層剖面圖進(jìn)行分析與計(jì)算，做好各個(gè)中間點(diǎn)相關(guān)參數(shù)值的分析工作。第三，鉆孔施工。厚煤層頂板定向鉆孔施工作業(yè)過(guò)程中，工程團(tuán)隊(duì)需依照技術(shù)模式特征，合理選擇鉆機(jī)設(shè)備及相關(guān)輔助設(shè)備，保證作業(yè)前可按照設(shè)計(jì)方案所規(guī)定的各項(xiàng)要求使用螺桿鉆，提高鉆孔施工作業(yè)的整體水平。

3.2 掘進(jìn)區(qū)域的超前抽取

厚煤層頂板定向鉆孔技術(shù)作業(yè)應(yīng)提前1～2年對(duì)區(qū)域煤層進(jìn)行預(yù)抽作業(yè)，而在實(shí)際預(yù)抽工作中，定向鉆孔長(zhǎng)度應(yīng)盡可能維持在600 m以上，案例中提到的河北某煤礦，其定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)際長(zhǎng)度已超過(guò)800 m，鉆孔軌跡也同樣維持在規(guī)定范圍。這種超前抽取作業(yè)可確保煤層內(nèi)部瓦斯氣體得到充分釋放，后續(xù)巷道掘進(jìn)工作時(shí)，開采作業(yè)人員所面臨的開采環(huán)境得到全面優(yōu)化，安全系數(shù)大幅度提高。

3.3 掘進(jìn)期間的鉆孔作業(yè)

依照厚煤層頂板定向鉆孔作業(yè)技術(shù)要求，巷道掘進(jìn)空間處于鉆孔下方，巷道頂板與鉆孔的間距則應(yīng)控制在1.5 m～2.5 m，此時(shí)巷道頂部煤層與巖石區(qū)域，即塑性區(qū)全部與彈性區(qū)部分區(qū)域?qū)?huì)形成微裂松動(dòng)區(qū)，微裂松動(dòng)區(qū)瓦斯的解析速度大大提升，透氣性能得到優(yōu)化，有利于定向鉆孔的瓦斯抽取工作，煤層內(nèi)部瓦斯大量釋放，瓦斯爆炸等生產(chǎn)事故的發(fā)生幾率也會(huì)大幅下降。煤層頂板上方1.5 m～2.5 m范圍內(nèi)因長(zhǎng)鉆孔的存在，其附近煤層將會(huì)形成負(fù)壓區(qū)，在壓力作用下區(qū)域內(nèi)解析出的瓦斯氣體將會(huì)大量涌入鉆孔內(nèi)部，該條件下瓦斯抽取效率大幅上升，煤層內(nèi)部瓦斯含量削減速度明顯增加。鉆孔的存在直接導(dǎo)致工作面頂板位置的外絲氣體向上涌動(dòng)，避免瓦斯氣體進(jìn)入巷道區(qū)域內(nèi)，巷道空間內(nèi)瓦斯涌出量與濃度都得到了良好解決，并可同步處理煤礦開采作業(yè)中常見的掘進(jìn)巷道頂板瓦斯積聚現(xiàn)象，工作區(qū)域安全系數(shù)大幅提升，煤礦安全生產(chǎn)工作得到充分保障，有利于維護(hù)煤礦作業(yè)人員人身財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

厚煤層頂板定向鉆孔作業(yè)技術(shù)可有效削減厚煤層內(nèi)部的瓦斯氣體含量，其鉆孔深度長(zhǎng)，軌跡可控且抽放區(qū)域十分精準(zhǔn)，有利于煤礦瓦斯治理工作。大量工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，厚煤層頂板定向鉆孔可實(shí)現(xiàn)煤礦開采作業(yè)區(qū)域的瓦斯超前治理，通過(guò)預(yù)期抽采，煤層瓦斯壓力與濃度大幅下降，有效控制開采作業(yè)工作面瓦斯氣體的涌出量，解決頂板層流的瓦斯問(wèn)題，為煤礦瓦斯綜合治理工作提供有效助力。