摘 "要：為有效解決高山煤礦瓦斯超限問題，以50230工作面為研究對(duì)象，基于理論分析和計(jì)算確定高位鉆孔的設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比長距離定向高位鉆孔和定向順層鉆孔2種技術(shù)的瓦斯抽采效果和工程效益。結(jié)果表明，定向高位鉆孔的單位抽采量相對(duì)于順層鉆孔更為顯著，實(shí)現(xiàn)1.3～2.1倍的提高，體現(xiàn)較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高位定向鉆孔；瓦斯抽采；鉆孔設(shè)計(jì)；高山煤礦；瓦斯治理

中圖分類號(hào)：TD712 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：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

煤礦瓦斯抽采作為關(guān)鍵的安全措施，在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位。其主要目的是通過有效降低工作面瓦斯?jié)舛?，從而預(yù)防瓦斯爆炸的發(fā)生。這項(xiàng)技術(shù)手段不僅關(guān)系到礦工的人身安全，更是整個(gè)煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的重要保障。與此同時(shí)，瓦斯作為一種清潔能源，高效抽采不僅可以減少對(duì)大氣環(huán)境的污染，還能將其轉(zhuǎn)化為可利用的資源，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。因此提升瓦斯抽采效率，不僅有助于煤礦減少環(huán)境負(fù)擔(dān)，還能夠在資源利用方面取得顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[1-3]。然而，目前礦井瓦斯抽采卻存在著一系列問題。特別是普通履帶鉆機(jī)無法按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，導(dǎo)致抽采過程中出現(xiàn)空白帶，進(jìn)而影響抽采效果。解決這一問題對(duì)于提升煤礦瓦斯抽采的整體效能至關(guān)重要[4-7]。因此，未來的研究和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)該著眼于克服這些技術(shù)難題，以確保煤礦瓦斯抽采能夠更加穩(wěn)定、高效地進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)的煤礦生產(chǎn)。通過長距離定向鉆孔技術(shù)，能夠有效地控制鉆孔軌跡，根據(jù)煤層的起伏情況隨時(shí)調(diào)整鉆孔的角度，從而確保在礦井開采過程中瓦斯治理的有效性[8-12]。以高山礦50230工作面為研究對(duì)象，采用高位定向鉆孔的方法來解決近距離煤層回采中可能出現(xiàn)的瓦斯問題，比較了長距離定向高位鉆孔與定向順層鉆孔工程量之間的關(guān)系，以比較2種瓦斯治理措施的效益和成本。期望能夠在煤礦開采中提高瓦斯治理的效能，同時(shí)在資源開采中降低潛在的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，為礦工的安全提供可靠的保障。

1 "礦井概況

高山礦位于貴州省黔西市，井田面積為8.45 km2，煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量每年90萬t。主要有5#、7#、9#可采煤層，以50230工作面（7#煤層）為主要研究對(duì)象，平均厚度為5.5 m。礦井瓦斯情況較為復(fù)雜，絕對(duì)瓦斯涌出量為82.43 m3/min，而綜采工作面的瓦斯涌出量為44.27 m3/min。煤層特性較差等問題造成瓦斯抽采過程中面臨諸多問題。為了確保礦井回采的效率和安全性，采用定向鉆進(jìn)工藝在巷道打高位攔截鉆孔，解決煤層透氣性差的問題，提高瓦斯抽采效果，確?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃峭咚狗e聚不超標(biāo)準(zhǔn)上限。

1.1 "工作面地質(zhì)概況

高山礦井50230工作面長度為2 750 m，傾向長為200 m，正斷層走向?yàn)?10°，傾角50°，落差2～5 m，西至15060軌道巷。鄰近50233工作面位于礦井的東北部，東至井田邊界范圍為510～575 m，南部與50230工作面采空區(qū)相鄰，留8 m煤柱保護(hù)。50233工作面煤層較為穩(wěn)定，其厚度在4.6～5.6 m，膠帶運(yùn)輸順槽厚度大于軌道運(yùn)輸順槽，平均為4.6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸發(fā)育，穩(wěn)定可采，且50233周邊無其他采掘工作面，為工作面的安全穩(wěn)定提供了有利條件。

1.2 "煤層瓦斯賦存情況

在煤礦開采過程中，通過煤層瓦斯地質(zhì)圖分析可知，50230工作面主要開采的7#煤層瓦斯含量介于4.0～6.0 m3/t，壓力在0.3～0.4 MPa。在15060膠帶順槽掘進(jìn)期間，該工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到2.7 m3/min，相對(duì)涌出量為0.68 m3/t。9號(hào)煤層埋深在560～627 m，最深部位于停采線位置，因此地應(yīng)力較高，透氣性較低。瓦斯含量在整個(gè)工作面整體上呈現(xiàn)變化較小的趨勢(shì)，但在局部區(qū)域卻存在較大的波動(dòng)，埋深越大瓦斯含量相對(duì)升高。

2 "高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 "工作面覆巖“兩帶”高度確定

煤礦巖層自上而下分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。覆巖“兩帶”的高度受多個(gè)因素的綜合影響，其中包括覆巖性質(zhì)、采厚以及采礦方式等。計(jì)算高位鉆孔高度Hz時(shí)，需考慮采高、煤層傾角以及直接頂抗壓強(qiáng)度等條件。以50233工作面5#鉆場控制區(qū)域?yàn)槔?，采高?.5 m，煤層的平均傾角為12°，直接頂抗壓強(qiáng)度分布在20～40 MPa。為了更準(zhǔn)確地確定“兩帶”高度，可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算垮落帶高度Hm和裂隙帶高度Hc。這些計(jì)算不僅有助于評(píng)估覆巖的穩(wěn)定性，還為采煤工作面的設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)依據(jù)，具體為

式中：M為累計(jì)采高，m；f為煤分層數(shù)。

經(jīng)過式（1）和式（2）計(jì)算得出，高山煤礦工作面鉆孔控制區(qū)域冒落帶高度為10.5～14 m；裂隙帶高度為45.6～55.8 m。

2.2 "長距離高位定向鉆孔橫向間距設(shè)計(jì)

在采空區(qū)瓦斯治理方面，本研究采用“O型圈”流動(dòng)理論，該理論認(rèn)為裂隙從煤層中部向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，最終形成離層裂隙發(fā)育帶。為了有效應(yīng)對(duì)瓦斯問題，通過布置定向長鉆孔來降低煤工作面瓦斯?jié)舛取Ｔ诹严栋l(fā)育區(qū)域，如圖1所示，設(shè)計(jì)長距離高位定向鉆孔，以達(dá)到優(yōu)化瓦斯治理效果的目的。遵循高度方向按裂隙帶發(fā)育范圍設(shè)計(jì)參數(shù)的原則，根據(jù)采礦地質(zhì)條件在水平方向上進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)50230工作面的地質(zhì)條件，在距離巷幫10～30 m布置了高位定向鉆孔，其中冒落帶的高度為10.5～14 m，而裂隙帶的高度則在45.6～55.8 m。在50233工作面的7#煤層鉆場設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了6個(gè)高位定向長鉆孔。為了確保鉆孔的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯治理的目標(biāo)，制定了詳細(xì)的鉆場控制區(qū)域設(shè)計(jì)方案，具體見表1。

2.3 "實(shí)際施工情況

2022年9月5日—12月10日期間，50230工作面風(fēng)巷距離切眼1 000 m處7# 煤層進(jìn)行了高位定向鉆孔的工程性施工，共計(jì)施工6個(gè)頂板定向長鉆孔，合計(jì)進(jìn)尺3 894 m，下篩管總長度2 964 m，鉆孔施工參數(shù)見表2，施工剖面如圖2所示。

3 "效益對(duì)比分析

3.1 "鉆孔瓦斯?jié)舛取⒊椴闪繉?duì)比分析

在2022年9月5日—12月10日期間，50230工作面7#煤層進(jìn)行了長鉆孔作業(yè)。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到150 m時(shí)，卸壓孔段低導(dǎo)致鉆孔有效控制范圍受限，同時(shí)瓦斯上升趨勢(shì)顯著。隨著鉆孔深度的增加至270 m，盡管有效控制范圍有所增加，瓦斯?jié)舛炔]有明顯增高，但仍保持相對(duì)較高水平。達(dá)到360 m深度時(shí)，鉆場抽采純量顯著下降，但瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。這一過程表明在鉆孔深度不同階段，鉆場的瓦斯動(dòng)態(tài)經(jīng)歷了明顯的變化。值得注意的是，當(dāng)工作面進(jìn)入1#、3#鉆孔影響范圍時(shí)，發(fā)現(xiàn)攔截鉆孔抽出高濃度瓦斯的情況，導(dǎo)致抽采濃度顯著降低。這意味著在施工位置鉆孔的瓦斯釋放特性可能受到其他因素的影響，使得抽采過程中的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常的波動(dòng)。

在50230工作面的瓦斯抽采試驗(yàn)中，觀察到定向高位鉆孔和順層鉆孔之間存在顯著的濃度差異（圖3）。具體而言，定向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度范圍為44.8%～79.2%，抽采效果明顯優(yōu)于順層鉆孔的瓦斯抽采效果。而且相比較于單孔瓦斯抽采量，定向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度約為順層鉆孔的1.3～2.1倍。對(duì)平均單孔混合量的觀察顯示，高位鉆孔的混合量約為7.4 m3/min，而順層鉆孔僅為1.62 m3/min，呈現(xiàn)明顯的差距。值得注意的是，在低透氣性煤層中，定向高位鉆孔在裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于順層鉆孔。經(jīng)過定向高位鉆孔連續(xù)抽采后，50230工作面未出現(xiàn)瓦斯超限問題，因此取消了上隅角埋管抽采防治瓦斯措施。綜合考慮以上觀察結(jié)果，得出結(jié)論：在50230工作面采用定向高位鉆孔能夠有效改善瓦斯抽采效果，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)支持。

3.2 "施工難度對(duì)比分析

在50230工作面的定向鉆孔中共打6個(gè)鉆孔，其中2#和4#位于上層，與7#煤層頂板的距離為24～27 m。然而在鉆孔過程中，2#和4#孔在穿越灰?guī)r時(shí)出現(xiàn)了速度緩慢的問題，伴隨憋泵、卡鉆和返渣不暢的困擾。與此同時(shí)，鉆孔的層位存在差異，1#、3#和5#孔位于下層，與7#煤層頂板的距離為17～18 m。在50230軌道順槽施工中，面臨了2個(gè)主要問題。首先，前50 m的施工破壞了煤層的完整性，導(dǎo)致了內(nèi)壓的增大。其次，在局部地點(diǎn)發(fā)生了塌孔現(xiàn)象，由于15#號(hào)煤層的堅(jiān)固性較低，造成了易塌孔的情況。在鉆孔施工的過程中，出現(xiàn)了響煤炮的現(xiàn)象，不過隨著施工的進(jìn)行，這一現(xiàn)象在施工50 m后逐漸減少?？傮w來看，高位定向鉆孔具有更高優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在施工過程相對(duì)順利，施工周期較短，且在瓦斯治理方面表現(xiàn)出高效率。然而，在施工中仍需解決鉆孔速度慢、層位差異、施工破壞煤層和塌孔等問題，以進(jìn)一步提升施工質(zhì)量和效率。

4 "結(jié)論

在煤礦開采中工作面巖垮落帶和裂隙帶特征對(duì)于瓦斯治理具有重要的影響。高山煤礦工作面巖垮落帶的高度介于10.5～14 m，而裂隙帶的高度則在45.6～55.8 m。經(jīng)過不同工作面進(jìn)行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定向高位鉆孔的單位抽采量相對(duì)于順層鉆孔更為顯著，達(dá)到了1.3～2.1倍的提高，從而有效提升了瓦斯抽采效率。這一創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用不僅在經(jīng)濟(jì)層面上表現(xiàn)出成本的降低，而且在瓦斯治理效果上取得了顯著的提升，優(yōu)于傳統(tǒng)的順層鉆孔方法。該技術(shù)有效地解決了工作面上隅角瓦斯治理的難題，為煤礦高效開采提供了可行的、高效的解決方案。

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