大直径多分支长距离高位钻孔抽采技术研究

张军义 王露

（1.河南能源集团鹤壁煤电股份有限公司，河南 鹤壁 458000）（2.河南能源集团鹤壁中泰矿业有限公司，河南 鹤壁 458020）

随着煤矿逐渐向深部开采，煤层的瓦斯含量和压力也逐渐增大，瓦斯治理难度随之增加，因而瓦斯事故时有发生。高突矿井在开采过程中，虽然利用底板抽采巷施工穿层钻孔和本煤层抽采钻孔提前预抽煤层瓦斯取得了一定的效果，但是在煤层受到采动影响后，综放工作面采空区瓦斯治理不到位，出现回风隅角和回风巷的瓦斯超限现象，因此对采空区瓦斯抽采开展技术研究有利于从源头上治理上隅角局部瓦斯超限的难题。

1 概况

中泰矿业有限公司属煤与瓦斯突出矿井，开采的二1 煤层最大瓦斯含量19.58 m3/t，最大瓦斯压力2.11 MPa，煤层透气性系数0.021 3～0.181 9 m2/MPa2·d。该项目在33072 工作面实施，以大直径高位裂隙钻孔治理采空区瓦斯的工程背景为研究对象，提出使用定向长钻孔替代高位裂隙钻孔的瓦斯抽采技术。通过对现场资料收集和调研，确定了顶板定向长钻孔治理采空区瓦斯的布孔方法，研究了定向长钻孔的最佳抽采负压和布置层位，确定顶板定向长钻孔的最佳布置参数。

2 施工技术方案

2.1 钻孔孔身结构

钻孔采用两开式孔身结构，下一层套管，主要目的为稳定孔口地层，方便钻孔瓦斯抽采。

2.2 钻场设计

在33072 工作面上顺槽内侧布置耳朵钻场，钻场位于上顺槽巷道口。钻场尺寸10 m×5 m×3 m(长宽高)，在钻场外面施工一个长1.5 m、宽1 m、深1.5 m 沉淀池。根据现场的考察及实际需要，在33072工作面回风巷设计4 个主孔和4 个长分支孔，主孔孔径为153 mm，分支孔孔径为96 mm。

2.3 钻孔及轨迹设计

本次工程设计施工4 个主孔，4 个长分支孔，主孔孔径为153 mm，主孔深度为430 m，主孔累计总进尺约1720 m；分支孔孔径为98 mm，分支孔深度360～400 m，分支孔累计总进尺约为1520 m。根据冒裂带高度及钻孔抽采实践研究，结合采煤工作面巷道布置条件，钻孔水平方向距33072 工作面回风巷巷帮2～37 m，垂直方向距二1煤层顶板10～30 m。钻孔布置参数见表1。

钻孔施工位置为33072 工作面回风巷，具体参数如下。

（1）1#钻孔倾角7°，钻孔水平段距离33072回风巷2 m，距离二1 上煤顶板高度15 m，主孔深度430 m。

（2）1-1#分支孔倾角7°，钻孔水平段距离33072 回风巷7 m，距离二1 上煤顶板高度15 m，主孔深度400 m。

（3）2#钻孔倾角8°，钻孔水平段距离33072回风巷12 m，距离二1 上煤顶板高度20 m，主孔深度430 m。

（4）2-1#分支孔倾角8°，钻孔水平段距离33072 回风巷17 m，距离二1 上煤顶板高度20 m，主孔深度390 m。

（5）3#钻孔倾角8.5°，钻孔水平段距离33072 回风巷22 m，距离二1 上煤顶板高度25 m，主孔深度430 m。

（6）3-1#分支孔倾角8.5°，钻孔水平段距离33072 回风巷27 m，距离二1 上煤顶板高度25 m，主孔深度370 m。

（7）4#钻孔倾角9°，钻孔水平段距离33072回风巷32 m，距离二1 上煤顶板高度30 m，主孔深度430 m。

（8）4-1#分支孔倾角9°，钻孔水平段距离33072 回风巷37 m，距离二1 上煤顶板高度30 m，主孔深度360 m。

3 施工情况及效果分析

3.1 施工情况

该工程于2019 年4 月20 日开始施工，截至2019年6月24日施工结束，施工钻孔有1#、1-1#分支、2#、2-1#分支、3#、4#、4-1#分支，孔径153 mm，累计进尺3183 m（定向施工2484 m，扩孔699 m），具体情况如下。

1#主孔：4 月19 日四点班开始定向钻进，4 月29 日八点班钻进至设计孔深432 m，退钻验收。

1-1#分支孔：4 月29 日四点班在1#主孔66 m处开分支施工1-1#分支，5 月5 日四点班正常钻进至423 m 处遇见坚硬的岩石无法正常钻进，退钻验收。1-1#分支始孔深度66 m，终孔深度423 m，累计进尺357 m。

1#主孔（扩孔）：5 月6 日零点班开始用直径为153 mm 钻头扩孔，5 月10 日四点班扩孔至426 m，终孔退钻验收，1 主孔扩孔深度426 m。

2-1#分支孔：5 月11 日八点班开始定向钻进，5 月20 日四点班钻进至387 m 处遇见坚硬的岩石无法钻进，退钻验收，降低层位施工2#分支，终孔深度387 m。

2#主孔：5 月20 日四点班开始定向钻进，5 月26 日八点班正常钻进至429 m 处，钻孔内出现不返水现象，退钻验收。2#主孔深度429 m。

2#主孔（扩孔）：5 月27 日零点班开始用直径为153 mm 钻头扩孔，5 月29 日零点班扩孔至271 m 处，钻孔内出现不返水现象，退钻验收，2#主孔扩孔深度271 m。

3#主孔：6 月1 日八点班开始定向钻进，6 月7日四点班钻进至315 m 出现了严重的塌孔，退钻验收。3#主孔深度315 m。

4#主孔：6 月8 日八点班开始定向钻进，6 月20 日四点班钻进至设计孔深372 m，退钻验收，施工4-1#分支孔，4#主孔深度372 m。

定向钻孔实测平面图、剖面图如图1、图2。

图1 33072 工作面定向长钻孔实测剖面图

图2 33072 工作面定向钻孔实测平面图

3.2 效果分析

3.2.1 定向长钻孔抽采效果分析

（1）浓度变化分析

自定向钻孔施工带抽后，钻场及单孔浓度随工作面推进变化见表2。

表2 钻场及单孔浓度随工作面推进变化表

①自定向钻孔带抽后，单孔浓度随工作面回采，其最大值9%，最小值2%，带抽至6 个月后，钻孔浓度最大值21%，最小值10%。单孔浓度随工作面切眼推进整体呈逐渐增大趋势，其中1 号钻孔浓度增幅400%，2 号钻孔浓度增幅225%，3 号钻孔浓度增幅250%，4 号钻孔浓度增幅133%。

②根据实测数据分析，自定向钻孔带抽后，钻场带抽浓度随工作面回采，从开始回采25 m 时，定向长钻孔开始起作用，浓度达到4%，随着工作面推进，整体呈逐渐增大趋势，钻场浓度从4%上升至14%并且持续稳定，钻场浓度增幅250%。

③自定向钻孔带抽后，随着工作面推进，上隅角平均瓦斯浓度最大为0.33%，最小为0.28%，未出现过上隅角瓦斯浓度超过0.5%的现象。

（2）抽采量变化分析

采用SPSS17.0统计软件对数据进行统计学分析,用(±s)表示计量资料,行t检验,用%表示计数资料,行卡方检验,p<0.05,差异比较具有统计学意义。

自定向钻孔带抽后，钻场抽采瓦斯纯量见表3。

表3 钻场抽采纯量随抽采时间变化

自定向钻场带抽后，平均抽采纯量在3.6 m3/min，钻场抽采纯量随带抽时间的增加呈逐渐增加趋势，在带抽3 个月后抽采纯量稳定在4.2 m3/min。

3.2.2 经济和安全效益分析

（1）施工定向长钻孔只需施工一个钻场，但是如采取高位顶板裂隙钻场方案，则需施工6 个钻场，巷道平均长度35 m 左右，约210 m，每个钻场施工18 个孔，共108 个钻孔，累计进尺12 960 m，可节约钻场工程、钻孔工程和人工投入，节约资金346.72 万元。

（2）通过在33072 上顺槽施工顶板高位定向钻孔，节约了钻孔施工时间，缓解了生产接替紧张局面，治理了33072 工作面上隅角瓦斯，每月提高产量2.2 万t，取得了良好的经济效益和安全效益。

4 结论

33072 工作面顶板高位定向钻孔成孔工程项目在规定的时间内完成了施工，钻孔轨迹符合设计要求，通过实施情况来看，可得出以下结论：

（1）定向钻机性能稳定，钻孔实际轨迹与设计轨迹相吻合，能够满足设计和瓦斯治理需求；

（2）通过定向钻孔抽采数据分析，确定了回采过程中所形成的顶板裂隙带位于煤层顶板垂直方向20～30 m 左右，采空区抽采效果提升5 倍以上。

（3）千米钻机定向钻孔大直径多分支长距离高位裂隙抽采技术的应用，节约了钻孔施工时间，缓解了生产接替紧张局面，形成了一套适用的顶板裂隙高位定向长钻孔安全高效抽采技术，创新了采空区瓦斯治理技术，对类似条件矿井采空区瓦斯治理具有较好的借鉴和指导意义。