定向长钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施应用效果分析

陈立新

华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿 山西吕梁 033000

沙曲二号煤矿为煤与瓦斯突出矿井，各煤层均具有煤与瓦斯突出危险性，属于近距离突出煤层群联合开采。井田范围内3#、4#煤层间距平均为7．2m，4#、5#煤层间距平均为5．5m，3#煤层平均厚度为1．0m，4#煤层平均厚度约为2．25m，5#煤层平均厚度约为1．93m。矿井采用斜井开拓，以两个水平开拓全井田，目前生产水平为一水平（+400m 水平），主采3#、4#、5#煤层。

1 4901 回风巷工作面概况

1.1 工作面布置

4901 回风巷布置于4#煤层中，工作面东南面为三条集中巷道，东北面为4901 工作面，西北面为三川河、高速公路及村庄保护煤柱，西南面为未开掘区，地面标高为490m-630m，工作面标高为298m—356m，地表由黄土梁峁，黄土低山丘陵地貌，巷道设计长度为1441m，巷道施工采用机掘方式。该巷道为矩形断面，净宽4．4m，净高2．6m，巷道采取锚网支护，顶锚间排距800×900mm，锚索间排距1300×1800mm。

1.2 工作面瓦斯地质及煤层赋存情况

4901 回风巷工作面整体为单斜构造，煤层倾向南西，倾角4°。4#煤层瓦斯含量为11．01m3/t，瓦斯压力为1．57MPa，煤层坚固性系数为0．73，煤层平均厚度为2．0m。4#煤层具有爆炸性，为Ⅲ类不易自燃煤层。

1.3 工作面局部通风

4901 回风巷工作面采用机械压入式通风，配备一组FBD №7．1/2×45 对旋式局部通风机和直径为1000mm 风筒，配风量为525m³/min。工作面瓦斯浓度为0．22%，回风瓦斯浓度0．4%。

1.4 抽采系统

4901 回风巷工作面采帮布置有一趟DN320mm 瓦斯抽采管路，经集中回风下山DN450mm 抽采管路引入矿井DN820mm 高浓抽采系统。工作面预抽过程中的抽采负压可达20kPa 以上。

2 定向长钻孔预抽煤层煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施在4901 回风巷掘进工作面的应用

2.1 4901 回风巷定向长钻孔设计

为了解决4901 回风巷工作面掘进期间的消突问题，提高抽采效果，保证抽掘衔接，沙曲二号煤矿通过调研论证，在4901 回风巷选用定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的区域防突措施。4901回风巷在工作面正前及左、右钻场共布置5 个掘进预抽钻孔，采用ZYL-17000D 型钻机施工，配套Ф89×3000mm 螺旋槽钻杆、Ф120mm 钻头施工，设计孔深600m，孔径为120mm。钻孔终孔端辐射至巷道两帮轮廓线外左、右各20m 位置（帮距），钻孔终孔间距为12 米，4#煤层抽采半径为6 米，区域防突措施钻孔超前距保留20 米。扩孔、封孔长度为12m，封孔采用5 寸PVC 管，水泥注浆封孔。钻孔与集中式放水器之间使用4 寸埋线管进行连接，集中放水器与瓦斯管路之间使用219mm 埋线管进行连接[1]。

2.2 4901 回风巷定向长钻孔实际施工情况

根据华晋焦煤函[2018]161 号要求，沙曲二号煤矿4901 回风巷掘进工作面试用大功率定向钻机施工区域防突钻孔。钻孔工程量为，孔数5 个，孔径120mm，总有效进尺3000m，单孔不少于600m，工程施工期限45-60 天。

4901 回风巷定向长钻孔实际完成孔数5 个（受钻场条件限制，1 号孔以分支形式在2 号孔内施工完成），孔径120mm ，总进尺5193m（岩孔2694m，煤孔2499m），单孔最深624m，最浅501m，实际施工时间为59 天（开工日期2018 年9 月12 日，完工日期2018 年11 月10 日）。

2.3 4901 回风巷定向长钻孔施工过程中存在的问题

（1）4901 回风巷定向长钻孔在施工过程中，1#钻孔因受钻场条件限制未能正常开孔施工，仅以分支形式在2 号钻孔内施工完成。

（2）4901 回风巷定向长钻孔在施工过程中，3#钻孔因为是施工的第一个钻孔，为探明巷道前方的煤层赋存情况，钻孔多次开分支寻找、探测煤层，导致钻孔施工时间较长。在探清煤层赋存情况后，其余钻孔的施工时间均控制在10 天左右。

（3）从4901 回风巷定向长钻孔施工情况看，除5#钻孔有效进尺较高外，其他几个钻孔的有效进尺均不足50%，最低有效进尺仅占累计进尺的43%。

（4）4901 回风巷长钻孔在施工过程中，由于钻孔深、孔径大，经常发生喷孔现象，虽然采用了瓦斯防喷装置，但还是多次出现瓦斯预警事故。

2.4 4901 回风巷定向长钻孔施工过程中的瓦斯防治技术

（1）施钻过程中，在孔口加设了以防喷囊袋为主的防喷装置。当钻孔发生喷孔时，喷出的大量高浓度瓦斯首先进入防喷囊袋，防喷囊袋扩张释放喷出的瓦斯压力，给汽水渣分离器分离喷出的煤渣和积水留足时间，确保发生瓦斯喷孔时高浓度瓦斯全部收集在防喷装置中[2]。

（2）施钻过程中，在钻杆水尾接头上增加了三通及截止阀，并连接至汽水渣分离器。当钻孔发生喷孔时，通过打开钻杆水尾接头上的三通，实现钻杆对钻孔的抽采，防止钻孔内的瓦斯从钻杆水尾处喷出。

（3）施钻过程中，在原先孔口防喷装置、汽水渣分离器、防喷囊袋三级瓦斯防喷工艺的基础上，增加了双层气动式放水器，实现四级瓦斯防喷，不但能有效缓冲瓦斯喷出压力，而且能实现在不中断抽采负压的情况下一键式气动快速放水，杜绝了瓦斯超限，降低了职工劳动强度。

（4）施钻过程中，推行“两堵一注、排水排渣”囊袋式封孔工艺，提高钻孔封孔质量，提高瓦斯抽采效果。

3 经济效益分析

通过与采用传统回旋钻机施工掘进预抽钻孔抽采效果的对比，定向长距离钻孔应用于掘进工作面掘进预抽在施工成本、抽采效果、提高掘进效率方面都具有显著优势，具备大面积推广的前景。通过分析采用定向长钻孔所产生的经济效益，为矿井提升抽采装备水平、增加抽采专业队伍提供理论依据。具体效益分析如下：

表1 定向长钻孔和短距离钻孔投入资金对比表

大孔径长距离施钻技术资金 类别 孔数（个）进尺（米）封孔成本 材料成本 油脂成本 配件成本 人工成本合计单价（元/个）小计（元）单价（元/个）小计（元）单价（元/个）小计（元）单价（元/个）小计（元）单价（元/个）小计（元）长距离预轴钻孔 35 17350 2500 87500 29.64 514254 0.45 7807.5 43.29 751082 30.4 527440 1888083.5小计 35 17350 87500 514254 7807.5 751082 527440 1888083.5备注：按照每一循环施工5 个钻孔，正前1 个，左右钻场各2 个，孔深600 ～800m，保留20m，掘进580 ～780m。

（1）钻孔工程量：采用国产钻机施工4901 回风巷的常规掘进预抽钻孔，需施工钻孔1603 个，进尺216360m，开设钻场62 个；而采用定向钻机施工定向长钻孔只需施工钻孔223 个，进尺68170 米，开设钻场36 个。通过对比，可以看出定向长钻孔相比与常规掘进预抽钻孔减少施工钻孔1380 个，减少钻孔进尺148190 米，减少施工钻场26 个，将大幅度降低瓦斯治理工程量。

（2）资金投入：采用国产钻机施工4901 回风巷的常规掘进预抽钻孔，需要投入设备、材料、配件、人工资金1889 万元，而采用定向钻机施工定向长钻孔只需投入设备、材料、配件、人工资金777 万元。通过对比，采用定向长钻孔能减少矿井生产成本1112 万元（后附定向长钻孔和短距离钻孔投入资金对比表），经济效益巨大。

（3）抽采效果：采用国产钻机施工4901 回风巷的常规掘进预抽钻孔，在同一循环内掘进预抽钻孔与煤壁的接触面积为8．97m2，而定向长钻孔与煤壁的接触面积为33．9m2。通过对比，定向长钻孔与煤壁的接触面积是常规掘进预抽钻孔的3．8 倍。根据统计，定向长钻孔的抽采效果是常规掘进预抽钻孔的2 倍，瓦斯抽采时间则是常规掘进预抽钻孔的一半。

（4）人工效率：以施工600 米掘进顺槽巷道为例，采用国产钻机施工常规掘进预抽钻孔累计需要36 天，钻机搬家6 次；而采用定向钻机施工定向长钻孔只需要25 天，钻机搬家1 次。通过对比，采用定向长钻孔较常规掘进预抽钻孔节省11 天，且钻机不需频繁搬家，相应的人工投入也更低[3]。

4 结语

本文以沙曲二号煤矿九采区4901 回风巷掘进工作面为例，通过引进定向长钻孔施工技术，实现了定向长钻孔一次性施工，减少了钻孔工程量；钻孔孔径大增加了煤体暴露面积，实现了高负压、大流量瓦斯抽采，不但提高了抽采效果、缩短了预抽时间、减少了辅助工序，降低了钻孔综合成本，还实现了掘进队组的“一队一头，快速掘进”，消灭了“拼刺刀”式的防突措施，避免了掘进队组频繁搬家倒面，对于保障矿井的正常接续及安全生产具有重要意义。