定向长钻孔在瓦斯治理中的应用

周文宇

华晋焦煤沙曲二号煤矿 山西 吕梁 033300

引言

在科学技术迅猛发展的带动下，使得大量的新型科学技术被研发出来，进而推动了各个行业的健康稳定的发展。这样对于煤矿综合机械化采煤工艺的发展也起到了积极的影响作用，在运用这项工艺的时候，往往会遇到瓦斯泄露的问题，进而严重的威胁到了煤矿资源开采工作安全性。因为瓦斯与空气之间的质量是存在明显的密度差，再加上采空区域存在漏风的情况，在采空区域顶层板材裂缝中极易存积大量的高浓度的瓦斯气体，进而可以顺着密封墙体或者是煤柱的缝隙涌入到采煤区域或者是矿井巷道之内，这样就会影响到通风的效果，甚至会引发严重的危险的事故。经过对大量的信息数据进行分析我们发现，工作面回风流瓦斯有超过一半的成分是来源于采空区域，采空区域瓦斯泄露极易导致空间内瓦斯密度的增加，进而会增加空间内的危险系数，进而，结合实际情况采用适当的方法对空间内的隅角瓦斯加以切实的管控，能够有效地保证矿井开采工作的有序的进行。就现如今的技术情况来看，煤矿开采空间内的隅角瓦斯的预防和治理方法有多重要，诸如：高抽巷法、地面钻孔法、埋管法、普通高位钻孔法、高位定向长钻孔法等，这些方法在实际工作中加以运用之后都能够获得较好的成效，但是高抽巷法，相对来说花费较多，后期维保工作也会需要大量的资金，并且在实施管理工作的时候存在诸多的困难。埋管法存在抽样采集效率低下的情况。地面钻孔方法适合运用在煤矿挖掘深度较浅的高瓦斯煤层结构之中，并且整个工序的花费较多。普通高温款空方法尽管具有良好的实用性，并且在实际使用中操作较为简便，但是与高位定向长钻孔方法相比较来说，钻孔效果不能加以控制，极易产生失误，这样对于瓦斯的抽样采集形成一定的影响。并且钻孔的深度较差，并且涉及到的工作程序较为繁琐。高温定向长钻孔方法其实质就是借助随钻测量定向钻进技术在资源挖掘空间内搭建一个采动裂缝瓦斯抽样采集渠道，在回采工作面的不断延伸过程中，借助采动压力来构建纵向破裂裂缝以及水平方向的离层裂缝采样采空区域。其最为突出的特征主要有：首先钻孔进行轨迹具有一定的可控性，在有效抽样采集区域内钻孔效率较高。其次，覆盖面积较大，能够大范围的瓦斯抽样工作创造良好的基础。最后是钻孔可以选择在回风巷或者是工作空间内的顺槽之中，不需要安设高位钻长。现如今，高位定向长钻孔可以说是煤炭资源挖掘空间内隅角瓦斯治理的关键方法，在国内的诸多大型煤炭企业中被大范围的加以运用，并且取得了良好的成效。

1 高位定向长钻孔施工技术

1.1 层位布置

高位定向长钻孔层位位置的选择与工作空间内隅角瓦斯的抽样采集存在一定的关联，通常情况下是借助上隅角周边的裂缝情况来加以判断。利用专业的理论知识我们可以总结出，裂缝之中可能会存在较多的高浓度的瓦斯气体，并且裂缝形成较为充实，进而是实施瓦斯抽样采集的最佳位置，换句话说，高温定向长钻孔层位的控制需要保持在采动裂缝的既定范围之内。当下，针对擦空区域顶层板垂直方向三带的发育程度的判断方式还没有较为高效的判断方法，通常是借助裂缝带高度的专业计算公式来加以判断。

1.2 成孔方法

经过理论分析以及大量的试验结果我们发现：钻孔直径与瓦斯的抽样采集的结果存在密切的关联，钻孔直径越大，那些瓦斯的抽样采集的效果就会表现的越好。就当前拥有的定向钻进机械来说，为了得到需要的大直径的高位定向长钻孔，通常人们会利用导向孔辅助分级扩孔的施工方法。首先借助随机测量定向钻进的模式来确定运行可控的导向孔，随后借助专业的扩孔钻头来对孔洞的直径加以扩大。

(1)导向孔钻进。现如今在那些规模较大的煤矿企业煤炭挖掘工作中大范围的运用了随钻测量定向钻进技术，运用这项技术能够较好的对钻孔的轨迹加以控制。在高位定向长钻孔导向孔的设置工作中，引用随钻测量定向钻进技术有效的确保了钻孔轨迹在采动裂缝中的扩张，进而能够保证钻孔在工作空间内回采环节中与采动裂缝进行连接，最终实现对隅角瓦斯采动收集的目的。

(2)扩孔钻进。在针对孔洞实施直径扩展的时候，可以选择回转扩工施工技术，借助具备良好引导作用的扩孔钻头，利用专业的方法将孔洞的直径扩展到需要的标准水平。

2 高位定向长钻孔施工装备

2.1 定向钻机

定向钻机完成高位定向长钻孔孔洞设置的基本机械，结合孔洞的特征以及分布的特点，可以划分为不同的结构形式，在选择使用的时候需要充分的结合实际情况以及钻进的需求。

2.2 定向钻具

孔底马达是整个定向钻进系统中最为关键的结构，其实钻进系统中能源的主要来源。

2.3 随钻测量仪器

就现如今国内的煤炭井下挖掘现状来说，井下随钻测量系统都是借助有线传输的形式，传输的距离通常都是超过一千米以上。钻孔轨迹标准可以利用探管来加以判断，并且需要结束通线钻杆来将测量获得的信息和数据进行传输，这样能够达到双向信息传递的目的。结合电能供应形式的不同，随钻测量系统探管结构可以划分为良好总形式，即孔底供电测量探管和孔口供电测量探管。随钻测量系统配合孔底马达能够达到实时钻孔轨迹测量和控制的目的。

3 应用实例

3.1 在沙曲煤矿24208工作面的应用

(1)工作面概况。沙曲煤矿24208工作面开采3+4#煤层，煤层厚度3.5～4m。24208工作面顶板岩层总体情况较好，局部可见炭质泥岩伪顶和破碎直接顶，基本顶岩性较好，未受到周边工作面扰动影响，岩层较完整。

(2)钻孔施工情况。24208工作面的顶板走向钻孔分为两部分布置，一部分用定向钻机在22201配巷施工高位定向钻孔；另一部分用国产钻机在24208回风巷施工高位非定向钻孔。为了充分对比高位非定向钻孔与高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果，将高位定向钻孔主抽采孔段布置于平面上沿工作面走向工作面以内距回风巷内帮25～65m处，剖面上距煤层顶板6～8倍采高。

(3)瓦斯抽采效果分析。煤矿瓦斯灾害治理是一个综合的过程，往往需要多种抽采方法的配合才能保证煤矿的安全回采。基于瓦斯应抽尽抽的理念，结合该工程工作面实际情况，前期预抽煤层瓦斯消除突出危险性，后期综合治理相结合的采煤工作面“全方位立体式”瓦斯综合治理措施，采用“地面与井下抽采相结合，穿层和顺层抽采相结合、保护层开采与卸压抽采相结合”的瓦斯综合抽采模式。即采用不同形式对回采工作面原始瓦斯预抽以及回采期间的瓦斯抽采，包括穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔、拦截钻孔、地面井和上隅角埋管抽采等。为综合分析对比高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果，在工作面推进过程中，采集了高位定向长钻孔与高位抽放巷瓦斯抽采数据。高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度随工作面推进逐渐增加，最高值达到80%，平均值53.6%。工作面回采初期，高位非定向钻孔起主要作用，钻孔平均总纯瓦斯流量为1.35m3/min，平均浓度为40%；回采中期高位定向钻孔和高位非定向钻孔共同起作用，定向钻孔平均总纯瓦斯流量为6m3/min,平均浓度为60%，非定向钻孔平均总纯瓦斯流量为4m3/min,平均浓度30%；回采后期，高位定向钻孔起主要作用，平均瓦斯抽采纯量10m3/min ,平均浓度80%，且持续到工作面回采结束后一个星期。

通过对上述瓦斯抽采数据的综合分析，认为工作面采动裂隙瓦斯抽采具有一定效果，其表现为随着工作面的不断推进，高位定向长钻孔瓦斯抽采能够抽出高浓度大流量的瓦斯，且高位定向长钻孔介入抽采期间高位定向钻孔的瓦斯抽采纯量较非定向长钻孔抽采效果明显，回采中期两种抽采方式抽采浓度相差30%。由此可见，高位定向长钻孔与高位非定向钻孔抽采了同一瓦斯源，高位定向长钻孔抽采顶板采空区瓦斯，降低了高位非定向钻孔瓦斯抽采流量，这种影响是有益的，为高位定向长钻孔层位选择提供了参考依据。

3.2 在吉宁矿2102工作面的应用

(1)工作面概况。吉宁矿2102工作面主采2号煤层，该煤层位于山西组下部，顶板上部岩石成分基本为泥岩、粉砂岩、中粒砂岩等，煤层厚度在5.9～6.2m，平均厚6.05m。黑色，条带状结构，似金属光泽，半亮型，以亮煤为主。含夹矸一般为2层，煤层结构简单，变异指数为0.09，属于稳定可采煤层。

(2)钻孔施工情况。根据覆岩采动裂隙分布特征与吉宁矿工作面通风特点，结合吉宁矿实际情况，在2102胶带巷钻场布置4个定向钻孔，最深钻孔达到702m，钻孔孔径均为203mm，终孔位置平面位于2102切眼往外36m处，剖面位置距离开孔高度为48m布置在泥岩中，各孔水平间距15m。

(3)瓦斯抽采效果分析。为综合考察工作面上隅角瓦斯抽采治理效果，统计分析了钻场内4个钻孔的瓦斯抽采数据，高位钻孔瓦斯抽采流量随抽采时间变化。经观测该钻场平均单孔瓦斯抽采流量达到9.89m3/min，单孔最大抽采流量在30m3/min以上，抽采效果较好。同时，在高位定向长钻孔介入前(30m以内)回风巷各采集点的瓦斯浓度较高;介入后(30～100m)，瓦斯浓度明显下降。其中，2102回风巷风流和巷口的瓦斯浓度下降比例最大，由0.65%降为0.40%，抽采效果显著。由此可见，应用高位定向长钻孔有效降低了工作面上隅角瓦斯浓度，为安全生产提供了保障。

4 工作面瓦斯综合治理措施

煤矿瓦斯灾害治理工序并不是一定简单的工作，通常是需要借助多个抽样采集的方式加以辅助才可以确保煤炭资源挖掘工作的安全性。在充分的联系瓦斯应抽尽抽原则，并结合4901工作空间的现实状况，初期预抽煤层瓦斯消除具有较高的危险系数，后期在实施整体治理的时候可以选择统合采煤空间立体形式的瓦斯整体治理的形式，将地面与井下抽样采集进行融合，更好的提升工作的效率和质量，换句话说就是利用各类不同形式来对回采工作空间内的存在的瓦斯实施抽采。

4.1 传统瓦斯治理措施

突出煤层4#煤工作面高位钻孔均在进风巷施工。在工作面进风巷自切眼向外每隔80m施工一个高位钻场，在钻场内施工高位、拦截钻孔。高位钻孔压茬30m。当工作面回采至高位钻场10-15米时，必须将该处抽采钻孔管路拆除，对钻孔进行封孔注浆，同时打开下一个高位钻场的钻孔抽采工作面瓦斯。该方式存在以下几个问题：（1）在针对钻孔以及进风通道结构实施建造可以选择平行施工的方法，但是安全管理工作的开展存在一定的困难。（2）钻孔利用效率较差，工作空间回采延续到钻场之前的十到十五米，钻孔务必要将封孔结构实施拆卸。（3）工作空间通过两组钻孔搭茬结构的时候，抽采质量较差，极易引发工作面瓦斯超出极限的情况（4）工作面高位钻孔要求封孔至冒落带以上，实际封孔效果不理想，钻孔进入采空区后形成瓦斯通道，易将中组煤卸压瓦斯导入工作面，给工作面瓦斯管理带来难度。

4.2 创新瓦斯治理措施

为避免工作面回采过程中出现上述4种问题，在工作面收作线外施工定向长钻孔替代在进风巷施工高位钻孔治理工作面瓦斯，避免了工作面过高位钻场时的瓦斯隐患，提高了钻孔利用率。在4901工作面停产线外的4#煤层钻场，采用千米定向钻机施工4个定向长钻孔作为高位钻孔，钻孔终孔位于4#煤采高8-10倍，抽采工作面裂隙带瓦斯，单孔深度700m，总工程量2800m。

5 结论

高位定向长钻孔钻场直接设在回风巷，具有钻孔层位布置灵活、目标层位钻遇率高、覆盖范围广等诸多优势，随着煤矿井下定向钻探技术装备的发展，煤层顶、底板岩石钻孔深度可达上千米，钻孔直径可达203mm，完全满足了高位定向长钻孔施工需求。多年的高位定向长钻孔推广应用实践表明，因各矿区岩层岩性特点、裂隙发育程度以及瓦斯赋存特性的差异性，钻孔层位、钻孔数量对钻孔成孔率、上隅角瓦斯治理效果均有显著影响。因此，煤矿企业首先需通过试验钻孔摸清该采区顶板地层特征后，优化布孔设计，以使高位定向长钻孔在工作面上隅角瓦斯以及采空区瓦斯治理中达到理想抽采效果。同时，建议将多分支高位定向长钻孔技术研究应用于工作面上隅角瓦斯治理，缩短钻孔施工周期，降低钻孔施工成本，提高瓦斯综合治理效果。