兴峪煤矿高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究

刘成军

（晋能控股煤业集团阳泉煤炭事业部，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

兴峪煤矿位于阳泉市盂县，现采煤层为沁水煤田15 号煤，煤层厚度6.18～6.78 m，平均6.5 m，设计生产能力90 万t/a。根据综合测试鉴定，15#煤层自燃倾向性等级为Ⅲ级，属不易自燃煤层，煤尘有爆炸危险性。煤层坚固性系数为0.31～0.4，透气性系数为1.294～5.224 m2/MPa2·d，透气性较差。15#煤层瓦斯含量为8.46～10.89 m³/t，瓦斯压力为0.23～0.45 MPa。

煤层回采工作面瓦斯涌出都以邻近层为主、开采层为辅，其中，邻近层瓦斯涌出占60.49%，开采层瓦斯涌出占39.51%，属于高瓦斯矿井。

目前矿井采取顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯，由于钻进装备不具备定向功能，不能控制钻孔轨迹，钻孔施工过程中受地层条件、地质构造等因素影响，钻孔轨迹未按照设计成孔，导致工作面形成抽采空白带。且不能确定抽采空白带区域、规模，对矿井瓦斯治理造成难题。因此，开展15#煤层定向长钻孔瓦斯治理技术研究[1-5]，对保障煤层瓦斯治理水平和开采的安全性具有重要意义。

2 高位定向钻孔参数设计

2.1 钻孔施工层位确定

瓦斯高位钻孔一般施工在裂隙带内的稳定岩层内。裂隙带的高度按煤层高度的5 倍计算，15#煤的煤层高度为6.5 m，则裂隙带高度为32.5 m。在高度范围内根据煤层上方岩层情况，选择普氏系数小于8 的稳定岩层作为钻孔施工层位。距15#煤层33～39 m 范围内的粉砂岩层抗压强度大于40 MPa，普氏系数为7.1，可作为本次定向钻孔的施工层位。

2.2 钻孔参数确定

（1）钻孔深度及孔径

钻孔的孔深主要与岩层情况、钻机能力、瓦斯含量等因素有关。另外，钻孔深度增大后，其钻进效率及瓦斯抽采效率都会随之降低。兴峪煤矿15508工作面倾向长度为180 m，走向长度为1500 m，钻孔可按500 m 为间距，分为三段布置。为保证瓦斯抽放效果，综合考虑各影响因素，确定钻孔深度为500～700 m。15508 工作面布置方式如图1。

图1 15508 工作面布置图

（2）钻孔数量及间距

根据以往采空区瓦斯治理经验，高位定向钻孔一般与巷道平行布置。考虑到钻孔施工时相邻钻孔间会相互影响，为了保证施工进度及钻孔轨迹精度，高位钻孔的间距需控制在5～10 m 之间，因此各钻场的高位孔数量应小于10 个。考虑现场实际条件，确定每个钻场施工3 个钻孔。

根据通风实测数据推测，兴峪煤矿15508 工作面在回采期间，其瓦斯最大涌出量为9 m3/min，其中60%为采空区内的瓦斯。为提高抽放效果，设计布置3 个直径为153 mm 的钻孔，钻孔间距为10 m，各钻孔与回风巷分别相距15 m、25 m 及35 m。其平面布置示意图如图2。

图2 高位定向长钻孔平面布置示意图（m）

（3）钻孔剖面布置形式

高位钻孔开孔位置一般选择在同一条水平线上，即高度一致，若所开采煤层的走向趋势无法确定，则钻孔在剖面上可选择上下分层布置，即布置两排不同高度的钻孔。兴峪煤矿15508 工作面煤层走向不明，则其钻孔布置形式采用上下分层布置，如图3。

图3 高位定向长钻孔在剖面分布

2.3 钻孔轨迹设计

在15508 回风巷布置3#钻场，该钻场共布设3个高位定向长钻孔，1#、2#、3#钻孔的终孔位置与15#煤层的垂直距离分别为22.8 m、20.0 m、17.1 m，具体钻孔参数如下（轨迹图如图4 所示）。

图4 高位定向长钻孔轨迹示意图（m）

（1）1#钻孔

钻孔深度为510 m，钻孔仰角为11°，开孔磁方位角为247°。设计钻孔钻进100 m 后进入15#煤层正上方22.8 m 的位置，继续钻进至510 m 深度期间，钻孔均保持在该高度内。由于1#钻孔终孔层位的岩性为泥岩，钻进时可能出现钻孔断面缩小或塌孔现象，施工时需注意，并及时清理。

（2）2#钻孔

钻孔深度为510 m，钻孔仰角为8°，开孔磁方位角为255°。设计钻孔钻进100 m 后进入15#煤层正上方20.0 m 的位置，继续钻进至510 m 深度期间，钻孔均保持在该高度内。由于2#钻孔终孔层位的岩性为中粒砂岩，钻进时可能出现钻头磨损的情况，施工至该层位时需更换坚固性较高的钻头及钻具，保证钻进效率。

（3）3#钻孔

钻孔深度为510 m，钻孔仰角为10°，开孔磁方位角为266°。设计钻孔钻进100 m 后进入15#煤层正上方17.1 m 的位置，继续钻进至400 m 深度期间，钻孔均保持在该高度内，由400 m 钻进至510 m 期间，终孔位置逐渐调整降低至35 m 的位置。由于3#钻孔目标层位的岩性为砂质泥岩，钻进时可能出现钻孔断面缩小或塌孔现象，施工时需注意，并及时清理。

3 定向钻进装备选型

3.1 定向钻机

考虑到设计钻孔的深度为500～700 m，属于超深钻孔，且孔径为153 mm，相对较大，因此，需选择钻进能力大，可采用大直径钻具的钻机。另外，由于兴峪煤矿地质条件较为复杂，煤层周围存在多个地质构造，加之顶板上方有多个泥岩层，强度较低，钻孔成型质量将会受到影响，因此，钻机还需具备处理塌孔事故的能力。

综合考虑，最佳钻机选择方案为ZYL-17000D履带式全液压千米定向钻机。

3.2 泥浆泵车

ZYL-17000D 履带式千米定向钻机配备Φ89 mm 五级螺杆钻具，其功率较大，要求的泥浆流量不低于375 L/min。为了满足大功率螺杆钻具对泵压和流量的要求，同时，考虑井下运输搬迁要求，泵车需选择较大流量的BLY390/12 型煤矿井下定向钻进用全液压履带泵车。

3.3 螺旋钻杆

由于钻孔孔径较大，施工时需采用定向扩孔工艺，同时可提升顶板高位定向钻孔瓦斯抽采效果。另外，由于兴峪煤矿地质条件较为复杂，为避免钻孔发生塌孔后无法处理，选型扩孔钻杆要具备复杂地层高效排渣的能力。经过综合分析和考虑，优选Φ89 mm/73 mm 大通径宽翼片螺旋钻杆用于回转扩孔钻进。

4 瓦斯抽采效果分析

为评价高位定向长钻孔方案及设备的瓦斯抽采效果，对15508 回风巷各定向钻孔的卸压掏煤量及瓦斯抽采量进行了统计分析。各钻孔掏煤量统计见表1。

由表1 可知，定向钻孔在兴峪煤业实现了“掏的出”，掏煤卸压半径增大，掏煤量突破0.5 m³/m，有利于卸压增透，沟通裂隙，提高了煤层的透气性系数，增加抽采范围，提高抽采效果。

表1 钻孔掏煤量统计

瓦斯抽采量统计结果表明，高位定向钻孔的初始最大抽采瓦斯浓度为80.6%，初始最大纯瓦斯量为0.66 m3/min，回风巷钻场累计抽采量63 473 m3。可见采用定向高位钻孔后，工作面的瓦斯抽采量大幅提高，降低了作业环境的瓦斯含量，治理效果良好，有效保障了工作面的回采安全。

5 结论

（1）根据兴峪煤矿15508 工作面的实际地层条件，结合类似工程经验，确定出高位定向钻孔施工层位为煤层顶板上方33～39 m 范围内的砂岩层，钻孔深度为500～700 m，钻孔间距为10 m，并对钻孔布置及钻孔轨迹进行了设计。

（2）根据高位定向钻孔的设计参数，结合巷道条件及地层条件，对定向钻机、泥浆泵车、螺杆钻具等定向钻进装备进行了合理选型。

（3）现场工业性试验结果表明，高位定向钻孔的掏煤卸压半径增大，掏煤量突破0.5 m3/m，卸压增透效果显著；钻场覆盖范围内的瓦斯含量下降了0.258 m3/t，瓦斯治理效果良好，保证了矿井安全高效生产。