基于定向拦截钻孔的工作面瓦斯治理技术

2021-03-13申健

山东煤炭科技 2021年2期

申健

（晋城市自然资源调查监测中心，山西晋城 048000）

1 引言

瓦斯抽采是目前解决瓦斯问题应用广泛和行之有效的方法之一[1-3]，采用定向钻机施工区域递进式钻孔预抽瓦斯，能显著提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿瓦斯高效抽采的主要技术途径。定向钻进技术能够保证钻孔轨迹定位可靠，增长钻孔有效抽采距离，单孔瓦斯浓度及抽放量高。另外定向钻进技术施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点[4-5]。但由于煤体应力状态变化发生的塌孔现象，不仅导致钻孔有效抽采时间缩短，且区域递进式定向钻孔覆盖区域巷道掘进时割断钻孔孔内残留瓦斯易造成巷道内瓦斯浓度升高，严重威胁着矿井的安全生产。

2 拦截钻孔的设计及施工

2.1 施工拦截钻孔的目的

东五盘区5310 工作面切眼、尾巷由53094 巷16#千米钻场施工区域递进式定向钻孔预抽瓦斯。由图1（图中“○”代表打钻异常位置）可看出，钻孔在施工过程中均不同程度出现了返水小、钻进压力大、破碎煤、塌孔等异常现象，严重影响了钻孔抽采效果。后期钻场瓦斯测量数据显示该区域钻孔均出现抽采浓度和纯量异常现象。由此判断，该区域钻孔抽采能力已受到极大制约，孔内积聚有高浓度瓦斯，为巷道掘进埋下了极大的安全隐患。基于上述问题并结合现场实际特点，决定在5310 尾巷1#千米钻场施工拦截钻孔，以期达到拦截53094巷16#千米钻场钻孔孔内瓦斯，保证巷道掘进安全的目的。

2.2 普通拦截钻孔

以往的拦截孔主要采用普通钻机施工，钻孔按列布置，每组拦截孔布置1～2 列，每列5 个钻孔，通过控制钻孔施工倾角，在目标钻孔所在区域煤体内钻孔全断面覆盖，从而达到对目标钻孔拦截的目的。普通钻机拦截孔施工需要在巷道内专门施工钻场，且普通钻机因没有轨迹测量装置，无法对钻孔进行精准定位，实际轨迹与设计轨迹偏差较大，拦截效果欠佳，故用普通钻机施工拦截孔已越来越无法满足掘进需要。

图1 53094 巷16#千米钻场钻孔覆盖图

2.3 定向拦截钻孔的设计及施工

5310 尾巷1#千米钻场首次采用了“布置在定向钻孔覆盖区域内”的施工方案。为保证拦截孔抽采效果，同时尽可能避免后期巷道掘进过程中取芯钻孔对拦截孔的影响，5310 尾巷1#千米钻场1#拦截孔设计3 条分支，分支间距10 m。第一条分支布置在5310 尾巷轮廓线以东20 m 位置；因普通钻孔轨迹控制困难，取芯过程中可能与1#孔发生穿孔影响抽采效果，故在1#孔旁边10 m位置布置2#拦截孔，2#孔设计2 条分支，分支间距10 m。5310 尾巷1#千米钻场定向拦截孔平面布置图如图2。

图2 5310 尾巷1#千米钻场定向拦截孔平面布置图

通过对53094 巷16#千米钻场已施工钻孔层位分析，判断该区域5310 尾巷1#千米钻场拦截孔为2°～3°上坡钻孔。充分利用定向钻孔具有轨迹可定位的特点，5310 尾巷1#千米钻场施工的定向拦截钻孔首次采用了“主分支钻进，探顶分支打穿”的施工工艺，即主分支在3#煤顶板以下2～3 m 层位施工钻进，通过合理选取分支点开探顶分支与已施工定向钻孔穿孔，探顶分支穿孔后水和煤渣可顺利排出，最大程度上避免了穿孔后堵孔现象的发生。

拦截钻孔施工工程中主要通过观察返水返渣情况来判断是否发生穿孔，若返水返渣突然变小，同时53094 巷16#千米钻场内钻孔出水量突然增多，且出水为黑色，并伴有煤渣，可判定该分支成功与已施工钻孔发生穿孔。5310 尾巷1#千米钻场拦截孔成功与53094 巷16#千米钻场原施工钻孔穿孔，达到预期目标，具体穿孔位置（○标注）如图3。

图3 5310 尾巷1#千米钻场定向拦截孔穿孔位置分布图

3 治理效果分析

3.1 瓦斯流向的改变

5310 尾巷1#千米钻场施工的定向拦截钻孔首次实现了在原区域递进式定向钻孔覆盖区域内成孔并与已施工钻孔打穿，对已施工钻孔孔内瓦斯成功进行了拦截，改变了钻孔覆盖区域内瓦斯流向，为原钻孔孔内瓦斯和原始煤体区域瓦斯提供了稳定可控的涌出通道，保证了巷道掘进过程中的瓦斯安全。5310 尾巷1#千米钻场定向拦截孔施工前后区域内瓦斯流向对比图如图4。