厚煤层顶板定向钻孔技术研究及应用

由文举

(龙煤七台河矿业有限责任公司新铁煤矿，黑龙江 七台河 154600)

煤矿瓦斯综合治理体系日趋成熟，煤矿井下定向钻孔技术在瓦斯抽采场景应用过程中具有钻孔轨迹控制能力较高、钻孔深、单孔抽采能力强、衰减期较长、抽采效率高、瓦斯抽采浓度高等优势。河北省某煤矿开采作业过程中，采用沿煤层底板掘进的巷道作业模式，巷道高度整体维持在4m左右，虽然这种作业手段在开采效率层面拥有明显优势，但因其掘进位置在煤层底板位置，巷道断面面积很大，巷道内部空气流通速度较慢，很容易在顶板位置形成层流，可见瓦斯治理工作对工程策略与技术工艺的要求非常高。

1 厚煤层定向钻孔在掘进工作面中的技术原理与研究

1.1 本煤层瓦斯预抽环节

本煤层瓦斯预抽是指开采作业区域在未卸压的情况下对瓦斯进行抽放，此时煤层内部结构未被人为破坏，因此对后续掘进作业的影响十分明显。厚煤层顶板定向钻孔作业中，钻杆长度如果超过600 m，则其瓦斯抽取量将会大幅上升，工作效率要明显高于常规短钻孔，因此工程技术团队可使用定向长钻孔作业手段，对待开采区域进行瓦斯抽取，进而削减区域煤层内部的瓦斯含量与压力。这种治理方式在瓦斯回收利用层面也具有明显优势，资源利用水平较高。

1.2 顶板泄压高位钻孔抽放

巷道掘进工作开始后，煤层结构将被破坏，巷道周边及巷道前方的应力分布将会出现变化，尤其是顶板位置的应力变化更为明显。依照巷道结构特征，可将发生变化的应力分布情况划分为塑性区、弹性区、原岩应力区等。工程经验表明，塑性区全部及弹性区部分区域将会在巷道掘进作业过程中出现煤层透气性变化，这些区域被统称为微裂松动区，区域厚度通常与巷道的直径相当。微裂松动区范围内部，煤层与岩体的结构强度大幅下滑，并形成范围较大的松动泄压带，煤层透气性大幅上升，进而引发瓦斯大量解析。随着巷道掘进工作的不断延伸，松动泄压带也会随之增长，因此在该区域实施定向钻孔的瓦斯抽取技术将取得良好的应用效果。

2 实地情况及效果概述

河北某煤矿的煤层平均厚度超过7.5 m，为提高开采工作效率，工程团队采用沿煤层底板掘进的全煤巷道模式，其顶板位置预留3 m左右的煤层，实际作业场景与厚煤层顶板开采特性基本相符。厚煤层顶板的全煤巷道在掘进过程中，顶板煤层的压力将会出现变化，进而出现微裂松动区，煤层透气性大幅增加，瓦斯涌出量也随之增长。厚煤层顶板定向钻孔技术需提前1～2年在待掘进区域进行钻孔作业，钻孔实际深度最深应维持在待掘巷道区域煤层顶板以下0.3 m～0.5 m，最浅位置应维持在巷道顶板以上1.5 m～2.5 m，依照煤层的实际分布特点合理布局钻孔位置，不断降低待开采区域煤层内部的瓦斯含量与瓦斯压力，为开采作业过程创造更为安全的实施空间。巷道掘进期间，顶板位置形成的微裂松动区也会进一步加快瓦斯的抽放速度，掘进工作面的瓦斯涌出量控制效能十分良好。河北某煤矿在煤层瓦斯处理中应用厚煤层顶板定向长钻孔抽放技术，在长达17个月的超前抽采作业过程中定向长钻孔技术优势得到充分发挥，长钻孔内部抽放瓦斯气体浓度很高，其钻孔抽取衰减周期很长、钻孔轨迹控制良好，指定煤层区域的瓦斯气体含量得到有效控制。相关数据表明，超前抽采完成后，预抽采率超过四分之一，煤层瓦斯气体压力被削减一半以上，为后续实施大巷道掘进开采作业奠定良好基础。大巷道掘进过程中巷道顶板形成的微裂松动区也被长钻孔充分利用，煤层顶部泄压瓦斯被大量抽取。巷道掘进时，虽然巷道空间内部的瓦斯浓度略有上升，但始终被控制在0.3%以下。

3 厚煤层顶板定向钻孔施工与应用

3.1 设置钻孔位置及各项工作参数

第一，钻孔布设原则。钻孔位置最深处应控制在煤层顶板下方的0.3 m～0.5 m，其最浅位置应控制在巷道顶板上方的1.5 m～2.5 m，钻孔轨迹分布设计工作也要严格遵照地质部门提供的区域煤层剖面图，轨迹设计应具有针对性。钻孔深度与钻孔位置应具备足够的精准度，并将钻孔作业过程的各项数据以CAD坐标的形式展现出来，便于管理人员对其进行分析，及时找到偏差。钻孔过程要根据地质变化进行优化调整，充分利用定向钻孔技术模式的工程优势，提高抽采效率。第二，钻孔设计。可建立三维空间模型，依照前期勘探及地质部门提供的各项数据分析煤层可能出现的变化，计算出与钻孔轨迹相关的各个控制点及靶点的平面坐标值。钻孔垂直深度与倾角要根据煤层剖面图进行分析与计算，做好各个中间点相关参数值的分析工作。第三，钻孔施工。厚煤层顶板定向钻孔施工作业过程中，工程团队需依照技术模式特征，合理选择钻机设备及相关辅助设备，保证作业前可按照设计方案所规定的各项要求使用螺杆钻，提高钻孔施工作业的整体水平。

3.2 掘进区域的超前抽取

厚煤层顶板定向钻孔技术作业应提前1～2年对区域煤层进行预抽作业，而在实际预抽工作中，定向钻孔长度应尽可能维持在600 m以上，案例中提到的河北某煤矿，其定向长钻孔实际长度已超过800 m，钻孔轨迹也同样维持在规定范围。这种超前抽取作业可确保煤层内部瓦斯气体得到充分释放，后续巷道掘进工作时，开采作业人员所面临的开采环境得到全面优化，安全系数大幅度提高。

3.3 掘进期间的钻孔作业

依照厚煤层顶板定向钻孔作业技术要求，巷道掘进空间处于钻孔下方，巷道顶板与钻孔的间距则应控制在1.5 m～2.5 m，此时巷道顶部煤层与岩石区域，即塑性区全部与弹性区部分区域将会形成微裂松动区，微裂松动区瓦斯的解析速度大大提升，透气性能得到优化，有利于定向钻孔的瓦斯抽取工作，煤层内部瓦斯大量释放，瓦斯爆炸等生产事故的发生几率也会大幅下降。煤层顶板上方1.5 m～2.5 m范围内因长钻孔的存在，其附近煤层将会形成负压区，在压力作用下区域内解析出的瓦斯气体将会大量涌入钻孔内部，该条件下瓦斯抽取效率大幅上升，煤层内部瓦斯含量削减速度明显增加。钻孔的存在直接导致工作面顶板位置的外丝气体向上涌动，避免瓦斯气体进入巷道区域内，巷道空间内瓦斯涌出量与浓度都得到了良好解决，并可同步处理煤矿开采作业中常见的掘进巷道顶板瓦斯积聚现象，工作区域安全系数大幅提升，煤矿安全生产工作得到充分保障，有利于维护煤矿作业人员人身财产安全。

4 结语

厚煤层顶板定向钻孔作业技术可有效削减厚煤层内部的瓦斯气体含量，其钻孔深度长，轨迹可控且抽放区域十分精准，有利于煤矿瓦斯治理工作。大量工程应用经验表明，厚煤层顶板定向钻孔可实现煤矿开采作业区域的瓦斯超前治理，通过预期抽采，煤层瓦斯压力与浓度大幅下降，有效控制开采作业工作面瓦斯气体的涌出量，解决顶板层流的瓦斯问题，为煤矿瓦斯综合治理工作提供有效助力。