呂人杰，楊達明，王斌榮，王 皓，劉 杰，張 浩

（1.中煤集團山西有限公司白羊嶺煤礦，山西 晉中 030600；2.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

回采工作面上隅角是礦井通風(fēng)路線的風(fēng)流盲區(qū)，瓦斯易聚集，易引發(fā)采煤工作面瓦斯超限。在傳統(tǒng)治理上隅角瓦斯超限技術(shù)中，走向高位鉆孔一直占據(jù)主導(dǎo)地位，在工作面回風(fēng)順槽每隔80 m左右施工一個高位鉆孔鉆場，在鉆場內(nèi)施工若干高位鉆孔，具有工藝簡單、成本低、施工速度快等優(yōu)點，但該方式鉆機頻繁，鉆孔軌跡難以控制，有效孔長短，且抽采能力有限，已不能滿足日產(chǎn)幾千噸工作面的上隅角瓦斯治理[1]。目前，國內(nèi)定向鉆進裝備及技術(shù)十分成熟，采用定向鉆機在采動覆巖的裂隙帶內(nèi)施工大直徑水平定向鉆孔，不僅可以增加抽采有效孔長，提高鉆孔抽采時效和效果，同時還能利用定向控制軌跡功能針對性抽采復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的賦存瓦斯[2]。

在高位鉆孔抽采工作面瓦斯研究方面，趙晶等[3]研究了高位鉆孔布孔位置、終孔位置、終孔高度等抽采參數(shù)對抽采效果的影響，分析認為覆巖裂隙帶是施工鉆孔的合理區(qū)域。施式亮等[4]研究了高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯的終孔位置與抽采負壓參數(shù)。孫榮軍等[5]針對目前高位鉆孔的不足，提出了大直徑成孔—擴孔—完孔技術(shù)，該項技術(shù)提高了采空區(qū)瓦斯抽采濃度，解決了工作面上隅角瓦斯超限問題，降低了回風(fēng)流中瓦斯體積分數(shù)，減少了瓦斯突出的危險。

隨著礦井開采深度的增加，瓦斯賦存量越來越大，瓦斯含量和瓦斯壓力越來越高，掘進期間的瓦斯涌出量也不斷增大，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。目前礦井除利用通風(fēng)方式稀釋巷道采掘空間內(nèi)涌出的瓦斯以外，需要利用抽采的方式解決煤層瓦斯，但受煤層賦存狀況影響，煤層賦存起伏不定，傾角變化大，普通履帶鉆機因無定向鉆進功能，鉆孔往往無法按設(shè)計軌跡進行施工，存在空白帶，給瓦斯治理帶來困難。長距離定向鉆孔可控制鉆孔軌跡，使鉆孔到預(yù)定位置，與常規(guī)鉆機相比，定向鉆機可以根據(jù)煤層賦存起伏隨時對鉆孔角度進行調(diào)整，且施工距離長，確保瓦斯治理效果。本文以白羊嶺煤礦為研究對象，采用長距離定向鉆孔技術(shù)治理15105、15111采煤工作面上隅角瓦斯，通過現(xiàn)場實測的方法分析長距離定向鉆孔的瓦斯抽采效果。

1 礦井工程概況

白羊嶺煤礦位于沁水煤田的東北部邊緣，太行隆起之西翼。礦井核定年生產(chǎn)能力150 Mt，主采15號煤層，平均厚度4.6 m。礦井絕對瓦斯涌出量85.77 m3/min，綜采工作面絕對瓦斯涌出量47.21 m3/min，為高瓦斯礦井，且煤層透氣性差，鉆孔瓦斯抽采濃度衰減快，抽采難度大；為此研究提出采用定向鉆進工藝，主要解決回采工作面上隅角瓦斯積聚問題。

1.1 工作面地質(zhì)概況

15108工作面長約2 750 m，傾向長度約200 m。DBF4正斷層位于工作面，走向210°、傾向120°、傾角50°，落差2～5 m。構(gòu)造影響范圍內(nèi)出現(xiàn)煤層松軟，裂隙發(fā)育，頂板巖石破碎、煤巖層產(chǎn)狀變化較大、瓦斯涌出異常等現(xiàn)象。

15111工作面位于礦井東北部，西起15111軌道巷，東至井田邊界510～575 m處，北距井田邊界最小距離247 m，南部為15109工作面采空區(qū)，其保護煤柱為8 m；15111工作面210～1 010 m推進范圍內(nèi)南側(cè)為其工作面采空區(qū)；15111工作面周邊無其他采掘工作面分布。15111工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度4.6～5.6 m，膠帶運輸順槽厚于軌道運輸順槽，平均厚度4.6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸發(fā)育，煤層穩(wěn)定可采。

1.2 煤層瓦斯賦存情況

從白羊嶺煤礦15號煤層瓦斯地質(zhì)圖可知，預(yù)計該巷所在15號煤層范圍內(nèi)瓦斯含量在4.0～6.0 m3/t，瓦斯壓力為0.3～0.4 MPa，根據(jù)15110兩條順槽掘進期間瓦斯涌出情況預(yù)計，15108膠帶順槽掘進期間絕對瓦斯涌出量2.7 m3/min，相對瓦斯涌出量0.68 m3/t。15號煤層透氣性系數(shù)為0.089～0.094 m2/（MPa2·d），小于0.1 m2/（MPa2·d），屬較難抽放煤層。

15111工作面處于白羊嶺向斜東北翼，整體形態(tài)以單斜為主，北高南低，東高西低，地勢開闊，上覆基巖覆蓋厚度變化較大。工作面內(nèi)15號煤層埋深560～627 m，工作面最深部位于停采線位置，距離白羊嶺向斜軸部最小距離為8 m，地應(yīng)力高，圍巖的透氣性低，有利于瓦斯保存，瓦斯含量較大；工作面最淺部位于開切眼中部，瓦斯含量相對較小。瓦斯含量變化規(guī)律也呈現(xiàn)出整體上變化較小，局部變化較大的特點。

2 高位定向鉆孔設(shè)計

2.1 工作面覆巖“兩帶”高度確定

工作面開采后，根據(jù)覆巖受采動破壞程度，自下向上巖層可依次劃分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，其中垮落帶和裂隙帶合成為“兩帶”。覆巖“兩帶”高度主要與工作面覆巖巖性、采厚及開采方式有關(guān)；不同巖性下的覆巖“兩帶”計算公式如表1所示。

表1 覆巖“兩帶”高度經(jīng)驗計算公式

根據(jù)白羊嶺煤礦15111工作面地層鉆孔柱狀分析可知，15111工作面15號煤層直接頂及基本頂主要以泥巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為主；直接頂和基本頂厚度之和接近40 m，參照表1，選用中硬覆巖條件下的“兩帶”高度計算公式進行計算。因此高位鉆孔高度Hz應(yīng)滿足下列條件：

15111工作面煤層厚度為4.5～5.1m，平均厚度4.8 m，計算得垮落帶高度Hm=9.6～14.6 m，裂隙帶高度Hl=16.5～29.5 m；因此高位鉆孔高度取值為14.6～29.5 m。

2.2 長距離高位定向鉆孔橫向間距設(shè)計

根據(jù)采空區(qū)瓦斯“O型圈”流動理論，煤層開采后覆巖裂隙自采空區(qū)中部向煤工作面兩順槽側(cè)煤壁轉(zhuǎn)移，采空區(qū)中部會被重新壓實，在采空區(qū)周邊會形成連通的離層裂隙發(fā)育帶。將長距離高位定向鉆孔布置在裂隙發(fā)育區(qū)域，通過抽采經(jīng)裂隙場向上運移的采空區(qū)及上隅角瓦斯，降低工作面瓦斯?jié)舛取８鶕?jù)上述分析，在進行高度定向鉆孔設(shè)計時，鉆孔在高度方向上需按裂隙帶發(fā)育范圍設(shè)計參數(shù)，在鉆孔水平方向上需根據(jù)工作面采礦地質(zhì)條件確定。根據(jù)15111工作面采礦地質(zhì)條件，分析確定將高位鉆孔布置在距巷幫10～30 m范圍內(nèi)。

2.3 鉆孔布置

通過對長距離高位鉆孔終孔位置理論計算及水平位置分析確定，并結(jié)合15111工作面頂板不同巖層的巖性特征，在15111工作面軌道順槽布置5組長距離高位鉆孔，見圖1。鉆孔編號分別為1號、2號、3號、4號和5號，其中，1號鉆孔距巷幫10 m，5號鉆孔與高抽巷平距10 m，終孔孔間距5 m，1號、3號、5號鉆孔終孔高度分別布置在距頂板15 m，2號、4號鉆孔終孔距頂板20 m，鉆孔布置層位巖性為砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，塊狀，平坦?fàn)顢嗫?，水平層理發(fā)育，含少量植物化石。單孔設(shè)計平均長度約520 m，共計2 600 m。鉆孔成孔后封孔采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔段孔徑203 mm，封孔管徑159 mm，封孔長度為18 m。鉆孔終孔方位角為75°，地磁偏角為-6°，勘探線方位角為81°。

圖1 15111工作面頂板高位定向長鉆孔實鉆平面圖

在15111工作面共布置5個高位鉆孔，具體參數(shù)見下頁表2，覆蓋巷道左幫10～30 m范圍內(nèi)，層位分別布置在距頂板15 m、20 m，采用大功率定向鉆機（ZDY-15000LD）施工頂板高位定向長鉆孔。鉆場布置在距開切眼距離為730 m，主要目的是考慮到回采工作面推進較快，定向鉆機施工周期長，以確保留有足夠的施工距離。

表2 15111工作面高位定向長鉆孔施工參數(shù)

3 長距離定向順層鉆孔抽采對比施工

為對比分析高位定向鉆孔與順層定向鉆孔在白羊嶺煤礦的瓦斯抽采效果，在15108工作面設(shè)計施工順層定向鉆孔進行瓦斯抽采。鉆場位于軌道順槽1 100 m處，采用大功率定向鉆機（ZDY-15000LD）共施工2個主孔，鉆孔編號分別為1號和2號，分支共25個，累計總進尺4 019 m；長距離定向順層鉆孔施工參數(shù)見表3。

表3 15108工作面順層定向長鉆孔施工參數(shù)

4 效益性對比分析

4.1 鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量對比分?/h3>

15111工作面長距離定向高位鉆孔和15108工作面長距離定向順層鉆孔瓦斯平均單孔混合量、濃度變化曲線如圖2所示。從瓦斯?jié)舛葋砜?，長距離定向高位鉆孔瓦斯抽采濃度（體積分數(shù)，全文相同）為31.8%～72.3%；定向順層鉆孔瓦斯抽采濃度為15.05%～56.6%；定向高位鉆孔在不同抽采時間內(nèi)瓦斯抽采濃度基本均高于定向順層鉆孔，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

圖2 長距離定向高位（順層）鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采混合量變化曲線

綜合分析長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔平均單孔混合量，正常情況下高位鉆孔維持在6.4 m3/min左右，而順層鉆孔僅為0.62 m3/min左右，前者為后者的10倍左右。說明在低透氣性煤層中處于裂隙帶內(nèi)的定向高位鉆孔瓦斯抽采效果要明顯優(yōu)于順層鉆孔。高位定向鉆孔連抽后，15111工作面取消了上隅角埋管抽采措施，不再出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。

4.2 工程量對比分析

在走向方向上，15111、15108工作面施工的定向鉆孔抽采范圍均為550 m左右；長距離定向高位鉆孔施工總長度為2 751 m，定向順層鉆孔施工總長度4 019 m。定向順層鉆孔工程量約為定向高位鉆孔的1.5倍。

4.3 施工難度對比分析

1）15111工作面頂板定向鉆孔5個孔，2號、4號鉆孔為上層鉆孔，鉆孔層位距15號煤層頂板24～27 m；1號、3號、5號鉆孔為下層鉆孔，鉆孔層位距15號煤層頂板17～18 m。2號、4號鉆孔在施工過程中穿K2灰?guī)r時，鉆孔鉆進速度慢，出現(xiàn)憋泵、卡鉆、返渣不暢等情況。1號、3號、5號孔主要在14號煤層與K2灰?guī)r中間施工，施工較順暢；總施工周期43 d。

2）15108軌道順槽施工順層定向鉆孔過程中，主要存在以下兩個方面問題：一是鉆孔開孔施工前50 m，鉆孔破壞原始煤層的完整性，導(dǎo)致地應(yīng)力開始重新分布，孔內(nèi)壓力增大，施工中孔內(nèi)響煤炮，鉆孔穿過50 m以后鉆孔響煤炮現(xiàn)象逐漸減少；二是鉆孔施工中局部地點塌孔嚴重，經(jīng)分析主要原因為15號煤層堅固性系數(shù)平均在0.5左右，局部地點煤層堅固性低于0.5易塌孔；鉆孔沿煤層傾角施工，局部地點煤層傾角大（負角度）鉆孔施工困難，易垮孔；總施工周期52 d。

總體上高位定向鉆孔施工過程較為順利，施工周期短；用于治理工作面上隅角瓦斯效率更高。

5 結(jié)論

1）通過理論計算出15111工作面覆巖垮落帶高度為9.6～14.6 m，裂隙帶高度為16.5～29.5 m；確定長距離定向高位鉆孔的施工位置為煤層上方14.6～29.5 m。

2）通過對15111、15108工作面瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析得出，定向高位鉆孔的單位進尺抽采量比定向順層鉆孔要高，瓦斯抽采效果明顯較好，前者單孔瓦斯抽采濃度約為后者的1.3～2.1倍。

3）對比長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔的施工量、施工周期、瓦斯抽采效果等因素，證明了長距離高位定向鉆孔抽采瓦斯具有成本低、效果好等優(yōu)點，可安全高效的治理白羊嶺煤礦工作面上隅角瓦斯。