李 晨

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046031)

采掘活動(dòng)過程中，會(huì)不可避免地遇到各種地質(zhì)異常情況，對地質(zhì)體的精確探測是保證礦井安全高效合理生產(chǎn)組織的關(guān)鍵。

地質(zhì)構(gòu)造探測方法主要為物探和鉆探，物探方法以預(yù)測為主，鉆探方法以驗(yàn)證為主。槽波地震反射[1]、無線電波坑透[2]、地質(zhì)雷達(dá)[3-4]、瑞利波[5]等技術(shù)對斷層、陷落柱等不連續(xù)的地質(zhì)異常體探測敏感，直流電法、瞬變電磁[6]等技術(shù)對含水地質(zhì)異常體探測效果較好。掘進(jìn)工作面通過施工超前定向鉆孔來進(jìn)行地質(zhì)精準(zhǔn)探測、瓦斯抽采、地層探放水等[7-8]，通常將長短孔結(jié)合使用。

對于高瓦斯煤層，瓦斯治理同樣是制約安全生產(chǎn)的又一重大因素。保護(hù)層開采[9]是優(yōu)先采用的區(qū)域瓦斯治理方法，隨著澳大利亞千米鉆機(jī)的引進(jìn)，長距離定向鉆孔治理瓦斯得到有效實(shí)施[10]。掘進(jìn)工作面瓦斯治理主要靠施工迎頭釋放孔、布設(shè)邁步鉆場、底抽巷穿層鉆孔等方式[11-13]。回采工作面通過本煤層瓦斯預(yù)抽、采空區(qū)埋管、鄰近層抽采等方式治理瓦斯[14]。

傳統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造鉆探探測距離短，物探探測精度低；現(xiàn)有的本煤層鉆孔抽采治理瓦斯方法具有治理區(qū)域小、持續(xù)時(shí)間短、治理成本高等特點(diǎn)。為充分利用千米鉆機(jī)精準(zhǔn)探測和長鉆孔的優(yōu)勢，將地質(zhì)異常體探測和區(qū)域瓦斯治理相結(jié)合，本文提出了一種探抽一體化技術(shù)。

1 探抽一體化實(shí)施基礎(chǔ)

1.1 基本原理

探抽一體化技術(shù)是利用千米鉆機(jī)精準(zhǔn)鉆進(jìn)施工長距離定向鉆孔，一方面利用該鉆孔探明前方地質(zhì)異常區(qū)，另一方面將該鉆孔并入到瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽，為采掘工程活動(dòng)提供安全保障，實(shí)現(xiàn)一孔多用的新模式。

1.2 基本原則

1) 精準(zhǔn)性原則。陷落柱、斷層等地質(zhì)異常體都有其特有的形態(tài)特征，對其精準(zhǔn)探測是實(shí)施鉆探工作的首要任務(wù)。同時(shí)，預(yù)抽鉆孔的布置要精準(zhǔn)覆蓋到待采掘活動(dòng)的工程區(qū)域，保證瓦斯治理效果，確保安全生產(chǎn)。

2) 經(jīng)濟(jì)性原則。在保證施工目的和效果的前提下，必須優(yōu)化鉆孔布置，避免無效或低效鉆孔的設(shè)計(jì)。精心施工組織，提高工時(shí)利用率，減少材料和人工的浪費(fèi)，使成本最優(yōu)化。

3) 高效性原則。在保證施工工效的同時(shí)，施工工序優(yōu)化也十分重要。瓦斯抽采時(shí)間是瓦斯抽采效果的保障，應(yīng)先施工長鉆孔，后施工短鉆孔；先施工煤層預(yù)抽鉆孔，后施工巖層探測鉆孔；先施工巷道中間鉆孔，后施工邊緣鉆孔。

1.3 應(yīng)用條件

探抽一體化技術(shù)的核心是一孔多用，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，適用于高瓦斯煤層地質(zhì)異常體探測，以及相應(yīng)區(qū)域的煤層瓦斯預(yù)抽。盡管千米鉆機(jī)的有效鉆進(jìn)距離可突破1 000 m，但考慮到施工過程中返水、返渣、掉鉆、塌孔等因素的影響，探抽一體化技術(shù)最好用于鉆進(jìn)距離小于500 m及500 m左右的高瓦斯煤層地質(zhì)異常區(qū)。

2 探抽一體化方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

漳村煤礦是一座生產(chǎn)能力為400萬t/a的礦井，現(xiàn)開采3號煤層，平均煤厚6 m，相對瓦斯含量9.5 m3/t.經(jīng)三維地震探測，在26膠帶巷北側(cè)134.5 m發(fā)育有1個(gè)橢圓形陷落柱SX17，長軸為177 m，短軸為113 m，如圖1所示。

圖1 探抽一體化工程背景

2.2 關(guān)鍵參數(shù)

1) 鉆孔開口位置與鉆進(jìn)層位。堅(jiān)持精準(zhǔn)性和經(jīng)濟(jì)性原則，鉆孔的開口位置應(yīng)選在探抽實(shí)施區(qū)域的最近已掘巷道中。鉆孔開口高度由鉆機(jī)型號決定，同時(shí)應(yīng)盡可能減小鉆孔初始段與目標(biāo)方向的角度，降低施工阻力。

鉆機(jī)在煤層中容易鉆進(jìn)，但容易塌孔，尤其是軟弱煤層；在巖層中鉆進(jìn)效率低，成孔效果較好?；诖艘?guī)律，較硬煤層的探抽一體化鉆孔可布置在煤層中；較軟煤層的主鉆孔應(yīng)布置在巖層中，然后再向煤層中施工多分支孔進(jìn)行預(yù)抽，單一功能的探測孔可布置在煤層中。

2) 預(yù)抽鉆孔間距。根據(jù)實(shí)際工程背景，建立50 m×50 m的Comsol流固耦合數(shù)值模擬幾何模型，如圖2所示，模型底部和左側(cè)為滾軸邊界，其余為自由邊界，抽采孔直徑100 mm，模型受垂直和水平力、作用，設(shè)OA監(jiān)測線，模擬參數(shù)如表1所示。

圖2 數(shù)值模擬幾何模型

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

單一抽采鉆孔在不同抽采時(shí)間下的瓦斯壓力分布云圖如圖3所示，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔的瓦斯抽采半徑逐漸增大。分別提取抽采10 d、50 d、100 d、300 d后OA監(jiān)測線的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，具體變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 不同抽采時(shí)間的瓦斯壓力分布

圖4 OA監(jiān)測線瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化規(guī)律

從圖中可看出，抽采10 d后的影響半徑為0.7 m，抽采50 d后的影響半徑為2.5 m，抽采100 d后的影響半徑為4.0 m，抽采300 d后的影響半徑為4.5 m.因此，在預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)中，兩個(gè)抽采孔的終孔間距因不大于單孔抽采影響半徑的2倍，實(shí)際工程為了避免抽采盲區(qū)，應(yīng)適當(dāng)縮小間距，此處鉆孔間距以不大于8 m為宜。

3) 預(yù)抽鉆孔輻射范圍。巷道掘進(jìn)過程中，巷道擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的瓦斯將涌向掘進(jìn)工作面。因此，預(yù)抽鉆孔的輻射范圍要涵蓋巷道掘進(jìn)的擾動(dòng)影響范圍。采掘工程活動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)影響的本源來自采動(dòng)應(yīng)力，為分析便捷，考慮單軸雙向等壓應(yīng)力場條件下的巷道圍巖影響情況。

假設(shè)巷道所受主應(yīng)力為自重應(yīng)力σz=γH，則巷道周圍的應(yīng)力分布特征為[15]：

(1)

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；σt為切向應(yīng)力，MPa；γ為巖體容重，N/m3；H為巷道埋深，m；r1為掘進(jìn)巷道等效半徑，m；r為巷道圍巖關(guān)注點(diǎn)到巷道中心距離，m.

對于巷道擾動(dòng)范圍的界定可按照改變原巖應(yīng)力的5%來計(jì)算，即切向應(yīng)力σt高于1.05σz或徑向應(yīng)力σr小于0.95σz.由此可計(jì)算出掘進(jìn)巷道的影響范圍為：

(2)

式中：R為掘進(jìn)巷道的影響范圍，m；r1為掘進(jìn)巷道等效半徑，m.

2605運(yùn)巷斷面設(shè)計(jì)為5.4 m×3.8 m的矩形巷道，巷道的等效半徑為3.3 m，帶入式(2)，2605運(yùn)巷掘進(jìn)后的影響范圍R=14.75 m.因此，預(yù)抽鉆孔輻射范圍可取15 m.

2.3 千米鉆機(jī)鉆孔布置

綜合考慮鉆孔深度、鉆機(jī)生產(chǎn)能力等因素，將鉆場設(shè)立在2605運(yùn)巷口西側(cè)8 m位置，鉆場長深高為6 m×4.5 m×3.7 m.定向鉆孔設(shè)計(jì)在3號煤層開孔，然后順煤層鉆進(jìn)至指定區(qū)域。根據(jù)探抽一體化設(shè)計(jì)的基本原則和SX17陷落柱物探結(jié)果，鉆場內(nèi)設(shè)計(jì)施工8個(gè)鉆孔，鉆孔編號1～8號，其中，1號、8號鉆孔各設(shè)計(jì)1個(gè)分支孔，分別探測SX17陷落柱的東部和西部區(qū)域，分支起始位置均在主孔36 m位置處。1號-1～7號鉆孔的各終孔間距為6 m，為保證2605運(yùn)巷掘進(jìn)期間瓦斯不超限，1號-1和7號鉆孔距離2605運(yùn)巷兩幫15 m，如圖5所示。

圖5 探抽一體化鉆孔布置平面圖

各定向鉆孔主孔在3號煤層開孔，并每隔60 m開分支向上探至3號煤層頂板。鉆孔開孔高度為1.5 m，目標(biāo)方位角0°，孔徑100 mm，開孔方位角為348.0～21.0°，開孔傾角-2～2°，孔深168～450 m，鉆孔總進(jìn)尺3 732 m，如表2所示。

表2 探抽一體化鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 瓦斯抽采設(shè)計(jì)

每個(gè)鉆孔成孔完畢后，及時(shí)清洗干凈孔內(nèi)殘?jiān)由吓潘b置、蝶閥、孔板流量計(jì)等裝置，將已成孔的鉆孔用160 mm高壓膠管并網(wǎng)到26膠帶巷的D426 mm抽采網(wǎng)絡(luò)中，如圖6所示。待上一個(gè)施工完的鉆孔并網(wǎng)完成后再施工下一個(gè)鉆孔。根據(jù)應(yīng)抽盡抽的原則，鉆孔始終保持抽采狀態(tài)，直到有其他必須的采掘工程活動(dòng)的時(shí)候才拆除抽采管路。抽采過程中，保證各鉆孔抽采負(fù)壓為15 kPa，定期記錄抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、混量等參?shù)。

圖6 瓦斯抽采并網(wǎng)示意

3 方案實(shí)施與應(yīng)用效果

3.1 實(shí)施方案

本次施工使用的是VLD-1000型履帶式液壓鉆機(jī)，施工過程主要分為以下幾個(gè)過程：① 移機(jī)定位。將鉆機(jī)移至開孔點(diǎn)煤壁前1.5～3 m，按照設(shè)計(jì)的方位角和傾角固定鉆機(jī)。② 開孔與擴(kuò)孔。首先，用D98 mm鉆頭開孔16 m；然后，用D153 mm鉆頭擴(kuò)孔15 m；最后用D193 mm鉆頭擴(kuò)孔15 m.③ 封孔注漿。采用D160 mm的鋼管封孔，封孔長度為15 m，其中，孔口前0.4 m的封孔材料為石膏，其他位置的封孔材料為水泥砂漿。④ 鉆進(jìn)施工。保證孔內(nèi)馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保返水、返渣正常；實(shí)時(shí)記錄鉆孔鉆進(jìn)軌跡，并與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對比，及時(shí)糾偏。

為了給瓦斯治理爭取更多的抽采時(shí)間，同時(shí)考慮施工過程鉆孔封孔的凝固時(shí)間，鉆孔施工順序依次為4號、5號、3號、6號、2號、7號、1號、8號。

3.2 實(shí)施效果

1) 陷落柱邊界探測。根據(jù)各鉆孔的施工情況，分析鉆孔數(shù)據(jù)，得到探抽一體化鉆孔施工結(jié)果如表3所示。除了1號-2鉆孔為全煤外，其余鉆孔均不同程度遇陷落柱，穿過陷落柱的長度為27.8～110.1 m不等。

表3 探抽一體化鉆孔施工結(jié)果

將探測結(jié)果繪制到采掘工程平面圖上，陷落柱探測結(jié)果平面圖如圖7所示。

圖7 陷落柱探測結(jié)果平面圖

SX17陷落柱的精準(zhǔn)探測輪廓為梨形，長軸128 m，短軸114.4 m，距離26膠帶巷北幫141.5 m.與三維地震探測結(jié)果相比而言，陷落柱往北平移了7 m，長軸縮短了49 m，短軸基本一致，為陷落柱的精準(zhǔn)加固和2605運(yùn)巷的高效掘進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2) 鉆孔瓦斯抽采。鉆孔施工完畢后，立即按照設(shè)計(jì)要求并網(wǎng)抽采。以4號鉆孔為例，前30 d瓦斯抽采濃度和純量變化規(guī)律如圖8所示，單孔瓦斯?jié)舛葹?5%左右，單孔瓦斯純量約0.45 m3/min.從前1個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽采量整體平穩(wěn)，前10 d有小幅度波動(dòng)，整體衰減較小，單孔每月可抽出瓦斯10 500 m3.8個(gè)鉆孔經(jīng)過6個(gè)月預(yù)抽，預(yù)計(jì)可抽出500 000 m3瓦斯，平均每米巷道抽出1 120 m3瓦斯，為2605運(yùn)巷的安全高效掘進(jìn)提供了充分的安全保障。

圖8 4號鉆孔前30 d瓦斯抽采濃度和純量變化規(guī)律

4 結(jié) 語

1) 探抽一體化技術(shù)需遵循精準(zhǔn)性原則、經(jīng)濟(jì)性原則、高效性原則，該技術(shù)適宜于鉆進(jìn)距離小于500 m及500 m左右的高瓦斯煤層地質(zhì)異常區(qū)。

2) 探抽一體化技術(shù)涉及鉆孔開口與鉆進(jìn)層位、預(yù)抽鉆孔間距、預(yù)抽鉆孔輻射范圍等關(guān)鍵參數(shù)，由具體的地質(zhì)條件和施工機(jī)具參數(shù)決定。

3) 千米鉆機(jī)鉆進(jìn)施工是探抽一體化實(shí)施的關(guān)鍵，包括移機(jī)定位、開孔與擴(kuò)孔、封孔注漿、鉆進(jìn)施工等幾個(gè)過程，應(yīng)優(yōu)先施工中間的長距離預(yù)抽鉆孔。

4) 探抽一體化技術(shù)很好地將地質(zhì)異常體精準(zhǔn)探測和高瓦斯煤層區(qū)域瓦斯治理結(jié)合到一起，在漳村煤礦實(shí)施過程中，陷落柱長軸長度精準(zhǔn)了49 m，單孔單月抽出瓦斯10 500 m3.