煤层底板定向超前探查钻孔“一孔多用”技术研究

2020-01-17吴刘洋

中国煤炭工业 2020年11期

文/吴刘洋罗虎

水害及瓦斯是影响煤矿安全生产的重大威胁。近年来，随着矿井开采深度的增加，地质条件越来越复杂，煤层的瓦斯压力及瓦斯含量随之增加，煤矿安全生产形势变得更加严峻，针对水害与瓦斯灾害的治理手段及措施要求也更加细致、严格，导致矿井的开采成本越来越高，开采效率越来越低。为解决这一问题，安徽恒源股份有限公司祁东煤矿基于水害、瓦斯灾害治理思路，在祁东煤矿8237工作面进行了煤层底板定向超前探查钻孔“一孔多用”技术研究及实验施工，有效解决了水害、瓦斯治理与降低开采成本、提高开采效率相矛盾的问题，为矿井水害及瓦斯治理提供了有益借鉴。

一、概况

1.矿井概况

祁东煤矿为煤与瓦斯突出矿井，水文条件为极复杂型，主采的32、61、71、82、9煤均为突出煤层。矿井设计年产量为180万t/a，采用两个水平开采，一水平标高为-420～-600m（风氧化带下限～回采上限单独统计），二水平标高为-600～-800m。

2.工作面概况

8237工作面位于井田东翼一水平三采区，该区域地质条件简单，整体为一单斜构造，倾向在北西向与北东向之间，倾角为10°～15°之间，平均13°，工作面平均倾向宽203m，走向长1550m。8237工作面布置在7135、7137工作面卸压保护范围内，实测工作面最大残余瓦斯含量5.1438m3/t，下伏9煤距82煤法距约10m，9煤在该范围受岩浆岩侵蚀，纯煤厚0.96～1.65m，原始瓦斯含量10.95m3/t。

3.探查及瓦斯治理的必要性

根据《安徽省煤矿防治水和水资源化利用管理办法》（皖经信煤炭[2017]218号）文件规定，存在陷落柱突水威胁的区域，水文地质条件类型为复杂及以上的矿井的新水平、新采区掘进时，必须同时采用物探、钻探等方法循环探查工作面前方及顶（底）板富水情况，发现异常立即停止作业。8237风巷、机巷及切眼在掘进施工前必须进行超前探查。

8237工作面采取切顶卸压沿空留巷技术，“Y”型通风方式进行通风，工作面回采期间瓦斯主要来源：一是工作面裸露煤壁涌出的瓦斯；二是回采过程中落煤瓦斯；三是采空区内遗落煤中解吸出来的瓦斯；四是下伏9煤卸压瓦斯。

采取分源法预测工作面瓦斯涌出量，下伏9煤卸压瓦斯占工作面总瓦斯涌出量的比例高达68.4%，在回采过程中下邻近层9煤受采动影响产生卸压瓦斯，通过升浮扩散及渗流的作用，从下部通过底板影响带的裂隙向上部扩散进入采空区，工作面回采期间大量9煤卸压瓦斯从采空区和综采支架架间涌出，严重制约工作面安全回采。只要8237工作面下伏9煤卸压瓦斯能够得到有效治理，就能保证工作面安全高效回采。

二、钻场及钻孔布置

1.钻场布置

为使钻孔在底板中开孔施工，选择在三采区东翼1#瓦斯抽采巷联巷及8237机巷内施工钻场。三采区东翼1#瓦斯抽采巷联巷钻场位于82煤底板、9煤顶板，8237机巷钻场在巷道上帮按坡度0°施工，钻场长×宽×高=12m×5.5m×2.6m。

2.钻孔布置

钻孔布置在煤层底板砂质泥岩中，距下伏9煤顶板法距2～5m，控制到风巷向上30m，风巷向下90m，钻孔沿煤层倾向方向间距30m，钻孔孔深500～550m。

（1）钻孔施工。三采区东翼1#瓦斯抽采巷联巷定向钻场内钻孔采用ZDY12000LD型全液压坑道定向钻机施工，8237机巷定向钻孔选用ZDY6000LD（B)型全液压坑道定向钻机施工。

钻孔开孔孔径Φ120mm，施工至不小于21m不大于25m孔深后改用Φ193mm钻头扩孔，并埋设Φ146mm、有效长度不小于20m的单层地质管，套管壁厚不小于6.0mm，在套管孔口处加设法兰盘，安装孔口闸阀。用水灰比1:1水泥浆液进行注浆固管，养护期不小于72小时，养护期满后做耐压试验，压力不小于8.1Mpa，且稳定时间不少于30min。耐压试验结束后采用定向钻进技术将钻孔施工至设计要求位置。

（2）钻孔压裂。钻孔终孔后反复冲洗，将孔内钻屑尽可能冲出孔外，孔口安装注浆盘，利用2ZBQ-10/16型风动注浆泵将静压水加压通过注浆管压入孔内，对钻孔进行反复压裂，压裂后孔内下入钻具采用压风吹净孔内积水。全部完成后并入抽采系统进行抽采。

三、煤层底板定向超前探查钻孔“一孔多用”技术

为达到一孔多用的目的，在工作面区段采掘活动前施工钻场沿着煤层底板向切眼方向布置定向长钻孔，进行超前探查及瓦斯抽采。在采掘活动前后，定向长钻孔起到超前探查、采前预抽、采中拦截临近层卸压瓦斯作用。

1.超前探查

定向长钻孔在掘进活动前，首先作为超前探查钻孔探清工作面前方底板富水、地质构造等情况，发现异常立即停止作业。

2.采前预抽

对定向长钻孔利用高压水进行压裂，使煤层底板及下伏煤层顶板原生裂隙及次生裂隙张开，裂隙之间相互沟通，通过多次重复压裂冲洗，促进裂隙延伸，在高负压抽采的状态下，本煤层及下伏煤层瓦斯通过裂隙渗透至钻孔，最终被抽送至地面进行利用，进一步降低了煤层的瓦斯压力及瓦斯含量。

3.采中拦截临近层卸压瓦斯

在工作面回采过程中由于围岩及临近层卸压，裂隙大量发育，工作面下伏9煤瓦斯大量解吸，定向长钻孔这时起到了拦截临近层瓦斯的作用，回采时下临近层瓦斯涌出量减少，保证工作面安全高效回采。

四、效果分析

1.超前探查效果

通过对8237风巷进行超前探查，查明了巷道底板及侧帮底板水文地质情况，且各孔施工期间均未出水，无水文异常情况，保证巷道安全掘进。

2.采前抽采效果

钻孔通过使用高压水进行压裂后，钻孔的抽采浓度由未压裂时的2%～7%增加到压裂后的62%～86%，单孔抽采纯量由接近0上升到0.26m3/min。

3.采中拦截临近层卸压瓦斯效果预测

参照8231工作面下伏9煤定向拦截卸压瓦斯钻孔的抽采效果，单孔最大抽采浓度90%，最大抽采纯量3.09m3/min。采取施工定向拦截卸压瓦斯钻孔治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均在50%以上，工作面最大回风瓦斯浓度降到0.5%以下，上隅角瓦斯浓度由频繁超限降到0.8%以下，瓦斯治理效果十分明显。

4.工程效果

钻孔施工工效高、安全风险低，避免普通钻机施工时搬家挪移频繁带来的安全问题；钻孔工程量小、节省大量材料费用，将超前探查钻孔与瓦斯治理钻孔相结合，通过定向钻机进行施工，工程量降低62%，工程费用降低43.7%；常规钻孔进行探查需停止迎头掘进工作，每次探查施工时间需15天，整个巷道共需探查7次，利用机巷钻场对风巷进行探查可提前施工，无需停止风巷掘进工作，减少影响时间。