高位定向长钻孔在综放工作面顶板裂隙瓦斯抽采中的应用研究

杜回东

（汾西矿业集团煤矿安全监察中心，山西 介休 032000）

矿井生产过程中瓦斯是制约回采安全的不利因素，同时随着矿井采掘深度增加，煤炭开采过程中受瓦斯影响更为明显[1-2]。瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的主要技术措施，采空区瓦斯涌出是综放工作面瓦斯涌出的主要来源，采空区瓦斯治理技术包括有顶板高位钻孔、高抽巷、采空区埋管等，普遍存在钻孔施工精度不高、工程量大、成本高以及后期维护工作量大等问题[3-7]。近些年来千米定向钻机在超前探测、防治水以及煤层瓦斯抽采中应用逐渐广泛，将千米定向钻机应用到综放工作面顶板裂隙瓦斯抽采中可改变瓦斯流动方向，减少采空区瓦斯向采面涌出量，从而为避免上隅角、回风巷出现瓦斯超限问题，实现采面安全回采。

1 工程概况

山西某矿为高瓦斯矿井，现阶段回采3 号煤层，煤层埋深深度平均360 m，厚度6.8 m，采用综放开采工艺。3301 综放工作面为南翼3 采区首个综放工作面，采面设计推进长度1 980 m、斜长205 m，开采范围内3 号煤层瓦斯含量平均5.6 m3/t、煤层硬度04～0.62、透气性系数0.019 0～0.028 1 m2/（MPa2·d）。采面在回采巷道内预先布置本煤层钻孔对瓦斯进行抽采，钻孔间隔5 m。以往矿井通过布置高抽巷方式对采空区瓦斯进行抽采，虽然可有效降低采空区瓦斯涌出量，但是存在成本高、巷道施工工程量大等问题。为此，提出采用高位定向钻孔代替高抽巷对采空区瓦斯涌出进行治理。

2 顶板高位钻孔设计及施工

2.1 钻孔布置

在3301 综放工作面回风巷内侧间隔600 m 布置一个钻场（长×宽×高=10 m×5 m×3.5 m），在钻场内施工5 个高位定向钻孔。在钻孔施工过程中可依据钻进煤岩层松软、破碎情况布置分支钻孔。根据3301综放工作面现场实际情况，设计的高位定向钻孔终孔位于3 号煤层顶板上覆15～30 m、距离回风巷巷帮3～23 m。具体采面内高位钻孔布置见图1 所示，施工参数见表1。

图1 采面内高位钻孔布置示意图

表1 高位钻孔设计参数

2.2 钻孔施工设备

高位定向钻孔采用ZYWL-6000D 全液压履带式钻机，并配合测量系统以及定向钻杆钻进。钻孔施工过程中采用的定向钻杆结构见下页图2，钻杆类型为凹槽螺旋定向钻杆，该钻杆具有强度高、信号传递效果好、密闭性强、排渣效果明显等优点，不仅可满足复杂地层使用需要而且可提高钻孔成孔率及成孔深度。测量系统结构包括有信号传输线、探管、显示屏等构成，具有抗干扰能力强、传输距离远、精度高等优点。

图2 定向钻杆结构图

施工的高位顶线钻孔孔径均为153 mm，钻孔施工时先采用Φ96 mm 钻头钻进9 m，随后分别采用1 173 mm、220 mm 钻头扩孔并钻进至19 m。钻孔内下放168 mm 封孔管，进行注浆封孔，封孔长度控制在15 m。封孔时采用的封孔材料为水泥、水、速凝剂等构成，并按照1.0∶1.0∶0.2（质量比）组成水泥浆进行封孔。钻孔封孔完毕12 h 并确保浆液凝固后方可继续钻进。钻孔封孔完成后，及时封堵钻场内破碎网片，若钻孔钻进过程中发现钻孔片帮或者顶板不稳定时，应立即停止施工并汇报，待采取措施并确保安全后方可重新施工。

3 高位定向钻孔瓦斯抽采效果分析

3301 综放工作面于2021 年8 月19 日回采推进至高位钻孔覆盖区，此时采面与钻场间距为450 m，在后续采面回采期间对高位钻孔瓦斯抽采效果以及回风巷、上隅角位置瓦斯浓度进行实时监测。具体高位钻孔瓦斯抽采情况见表2 所示。

表2 高位钻孔瓦斯抽采参数

高位钻孔瓦斯抽采期间单孔最大瓦斯抽采浓度达到30%、瓦斯抽采纯量可达到2 417 m3；钻场内施工的5 个定向钻孔单日抽采纯量可达到7 378 m3，瓦斯抽采效果较为明显。采面在高位钻孔控制范围内推进时，回风巷内以及回风上隅角位置瓦斯浓度分别控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%间，瓦斯无超限事故发生。通过在采面内布置高位钻孔确保了采面回采安全，采面推进速度由以往1.8 m/d 提升至2.4 m/d。

4 结论

1）综放开采具有产量高、效益好等优点，但是由于开采强度大，采面回采过程中也存在采空区瓦斯涌出量大问题。为降低采空区瓦斯涌出量及瓦斯治理成本，提出采用高位顶向钻孔代替传统的高抽巷对采空区瓦斯进行抽采。

2）依据3301 综放工作面现场情况，对高位钻孔布置、施工方案以及瓦斯抽采效果进行分析。在回风巷内间隔450 m 布置一个钻场，在钻场内布置5 个高位抽采钻孔，采面回采至高位抽采钻孔影响区内后，钻孔抽采浓度最高可达30%、单日抽采纯量最高可达2 417 m3，采面回风巷、回风隅角瓦斯浓度分别控制在0.25%～0.38%、0.31%～0.52%间，同时采面推进速度由1.8 m/d 提升至2.4 m/d，取得较好瓦斯治理效果。

3）通过3301 综放工作面高位瓦斯抽采钻孔应用，为采面采空区瓦斯治理积累了宝贵经验，同时可为矿井后续采面高位瓦斯抽采提供指导。