定向长钻孔预抽长距离薄煤层群石门揭煤防突设计及施工技术研究与应用

2023-10-14王鑫WANGXin

价值工程 2023年27期

王鑫 WANG Xin

（中煤第一建设有限公司第四十九工程处，邯郸 056003）

1 施工技术研究

我国煤矿地质赋存条件复杂，在煤的形成过程中伴随着甲烷气体的产生，赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，俗称“瓦斯”，煤矿瓦斯灾害威胁尤其严重，瓦斯治理是高瓦斯、突出矿井安全开采的前提条件，而抽采瓦斯则是防治煤矿瓦斯灾害的根本措施。

随着矿井开采深度的增加，矿井地质条件恶化，原始煤层瓦斯含量、压力增加，石门揭煤安全威胁大，为使瓦斯从煤的表面解吸下来，一是靠降低煤层瓦斯压力来解决，主要办法是通过打孔预抽来降低压力；二是让从煤层表面解吸下来的瓦斯顺利穿过裂缝进入布设的钻孔内。

普通钻机钻孔施工工艺存在钻孔施工距离短、轨迹不可控、预抽期短、影响单进等缺点，并且无法实现长距离区域性防突，在近法距薄煤层群的条件下存在治理区域不能有效控制，抽采盲区、空白带增多的现象，无法满足掘、抽衔接需要，带来安全隐患。

普通钻机钻孔揭煤施工的钻孔数量多，一般采用“迎头+钻场”布置穿层预抽钻孔施工，多部钻机同时施工受断面限制、风量限制，施工工期长、钻场工程量大，如遇薄煤层群穿层钻孔施工过程中这种现象更为突出，陷入措施循环次数多、治理工程量大、抽采效率低、安全风险不能有效控制的局面。

国内外同类研究进展情况：

目前，石门揭煤抽放瓦斯系统多采用矿井集中抽放系统，地面设置抽放泵站，由泵站到井下敷设主管、干管、分管（或支管）至钻场钻孔。

石门揭煤抽放瓦斯方式，国内外的石门揭煤区域防突措施，多采用由岩巷向煤层打穿层钻孔的穿层式布孔方式，穿层钻孔施工为使煤层泄压更充分，钻孔揭露煤层面积更大，尽可能布置密集钻孔，以提高煤层透气性和瓦斯抽放效率，受巷道及钻场空间约束，钻孔布置密集时钻孔间距小易造成穿孔及岩体整体性破坏，钻孔数量多封孔工作量较大联孔较繁琐，易出现封孔效果不佳抽采效果差，工作面抽放率在10%～30%之间。

定向长钻孔抽采瓦斯技术是煤炭行业目前大力推广的技术，在生产矿井的采掘过程中应用较多。在矿井建设期间，存在近法距薄煤层群、且均为突出煤层的矿井数量并不多，实践实例也较为有限。

采用定向钻进及随钻测量技术施工的小曲率梳状长钻孔，具有：钻孔轨迹可控，主孔内可开多个分支孔、抽采区域大，钻孔长度和钻孔成型稳定，钻孔超前性强、抽采时间长、抽采效果好等特点。一是节省瓦斯治理钻场造成的成本；二是钻孔抽采控制区域大，抽采时间充足，瓦斯抽采效果好，工作面抽放率可达40%～80%揭煤安全保障高。

2 技术应用

2.1 四十九处工程概况

笔者单位长期从事矿山基本建设，具备立井、平巷、斜井等井巷工程揭煤施工的成熟技术，尤其在石门揭煤施工方面有多种成熟的施工工法和经验，取得了一系列的成果。

现拥有履带式钻机、水压力泵站、千米定向钻机及配套设备等大型施工设备，与各大科研院所的长期合作，可满足长距离薄煤层群石门揭煤的施工。

目前将定向长钻孔施工技术应用于长距离薄煤层群石门揭煤的施工，在高家庄煤矿上煤组二盘区集中辅运巷。防突施工中，实现长距离薄煤层群石门揭煤安全快速高效。

2.2 设备选型

图1 上组煤二盘区集中辅运巷4、5 号煤层预抽钻孔的平面设计图

普通钻机钻孔揭煤施工的钻孔距离短、并且无法实现长距离区域性防突，在近法距薄煤层群的条件下存在治理区域不能有效控制，瓦斯治理盲区、空白带增多现象，无法满足掘、抽衔接需要，陷入安全风险不能有效控制的局面，带来安全隐患。利用定向钻机的造斜功能和轨迹测量功能，实现定向长钻孔“一孔多用”和“层位控制”等功能，满足抽采达标评判需要。

并且定向长钻孔钻孔距离长、循环次数少，钻场、钻孔数量少，措施工程量小、施工工期短，且仅一部钻机作业不易受断面及风量限制，具有钻孔轨迹可控、单次预抽期长、措施抽采效率高、单进水平高等优势，以施工小曲率梳状钻孔，代替穿层拦截钻孔，保证薄煤层群瓦斯抽采效果，揭煤安全保障高。提高钻孔利用率，降低钻场、钻孔工程量，保证薄煤层群卸压瓦斯抽采效果。

2.3 使用方式

高家庄煤矿上组煤二盘区集中辅运巷在北进风井井底车场南侧，上组煤二盘区集中辅运巷350m。揭露岩层位于二叠系（P）下统下石盒子组（P1x），巷道顶板上部煤层为5 号煤层：上组煤二盘区集中辅运巷顶板上5 号煤层赋存于山西组下部，厚度为1.1m，煤层中未含夹矸，结构简单。5 号煤层上距4 号煤层8.77m；4 号煤层厚度平均为1.3m，4 号煤原煤瓦斯含量在7.65～11.23m3/t 之间，原始瓦斯压力0.46～0.55MPa，煤层透气性系数0.3295～0.3729m2/（MPa2·d），属于可以抽采煤层；5 号煤原煤瓦斯含量在10.35～11.76m3/t 之间，原始瓦斯压力0.48～0.53MPa，煤层透气性系数0.4274m2/（MPa2·d）。目前高瓦斯矿井在进行煤炭生产必然有一定数量的巷道接近煤层，而长距离薄煤层群石门揭煤巷道掘进是非常困难的，需要提前采取防突措施，施工的钻孔越短则施工的瓦斯抽放次数越多，定向长钻孔方法利用定向长钻孔代替短钻孔能减少钻场数量，且一个主孔内施工n 多个分支孔，加大抽放断面有效的大范围预抽本煤层，提高抽放效果。应用定向长钻孔预抽长距离薄煤层群石门揭煤区域防突施工及长距离薄煤层群石门揭煤快速施工新技术，可保证施工安全，加快施工速度，降低施工成本，提高安全系数，为类似工程提供宝贵的借鉴，具有良好的推广应用前景和经济社会效益。

高家庄煤矿上煤组二盘区集中辅运巷施工成本对比：

①高家庄煤矿上煤组二盘区集中辅运巷施工起累计抽采瓦斯约22 万立方，经计算该区域已抽采达标，可以掘进350m。按单一的普通穿层钻孔预抽，每循环钻孔控制条带长度60m，抽采达标后仅能掘进40m，要掘进350m 需要施工8 个循环的穿层钻孔。按照穿层钻孔布置方式，每循环需施工两层煤共7680m 钻孔（192 个），施工及抽采时间至少2 个月，8 个循环共需16 个月。采用定向施工，平均每循环可节约工时9 个月，高家庄煤矿上煤组二盘区集中回风巷350m 采取定向钻孔抽采要比采取普通穿层钻孔抽采节约打钻抽采时间10 个月。

②根据工程施工进度，实施各子项目研究成果的工程应用和工业性试验，对相关设备系统和关键技术进行现场调试、测试、总结与优化。与普通钻孔方法相比重点比较两种方式在工程进度、人工、设备租赁等环节。

施工控制巷道前方350m。定向钻孔投入20 万元。累计施工定向钻孔约50000m，共计投入约100 万元。

对薄煤层群采取瓦斯综合治理，平均每月抽采瓦斯纯量60 万立方，抽至地面泵站浓度保持在25%以上，向瓦斯电站提供稳定气源，每月利用量50 万立方。预计每年瓦斯利用量300 万立方，为矿井创造直接效益70 万元。

采用普钻工艺对上煤组二盘区集中辅运巷进行抽采作业，至少需要施工8 个钻场，折合成巷道进尺大约为40米，当前巷道成本为7000 元/m，可节约大约28 万元。

钻孔施工采用防喷系统后未再次发生瓦斯超限事故，避免了因打钻超限造成矿井停产整改，若按减少停产4 天计算，相当于该系统增产约8000 吨以上，止损金额800 万元。

定向钻机配套反冲洗过滤清洗装置循环水利用系统：过滤器装置价格24 万元，其他装置0.3 万元，全套循环水处理装置24.3 万元，日处理复用水量300m3，矿井排水费用1.5 元/m3。矿井水处理费用8 元/m3，合计水处理9.5 元/m3。日节约水处理费用0.285 万元，年节约水处理费用104万元。

350m 巷道若采用普通穿层、顺层钻孔施工，预计工程量为5 万米，采用定向长钻孔“一孔多用”可避免单独施工地质钻孔，预计可节约1700m 的地质钻孔工程量。施工后节约了这部分钻孔，可节约5 万元。

抽采量计算：以每60m 探3 个200m 钻孔计算，一个定向钻场能够节省地质钻孔1600m，节约工时8～10 天。平均每月抽采浓度25%以上瓦斯纯量60 万立方，每月利用量达到50 万立方以上，经济效益可观。

施工进度计算：采用普通旋转非定向钻机施工钻孔时，不考虑钻机故障，移运钻机和施工钻孔约需一周时间，抽采按规定至少需要20 天，效果检验及抽采达标评判需要3 天，共1 个月不能掘进；抽采达标后，一循环也仅能掘进40m，严重制约了掘进进度。采用定向钻机施工定向长钻孔时，施工加上抽采约需4 个月，按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求的最小长度300m 计算，平均每月有75m 巷道抽采达标，掘进进度是普通顺层钻孔的约2 倍。而定向长钻孔开孔布置在岩层中，且采用下套管“两堵一注“的注浆方式封孔，抽采效果更有保障。

工期及效益计算：高家庄煤矿近距离薄煤层群定向长钻孔瓦斯综合治理技术试验成功，相比采用普通穿层、顺层钻孔治理，经计算项目部共有3 个巷道，分别为上煤组二盘区带式输送机巷、上煤组二盘区辅助运输巷、上煤组二盘区集中回风巷。巷道工期节约20 个月；采用定向长钻孔效益计算：3 个巷道累计投入100 万元，预计产出1600万元，收益1600-100=1500 万元。另外对类似矿井瓦斯综合治理也具有一定的指导意义和借鉴价值。

2.4 设备使用中重要技术问题研究

2.4.1 定向长钻孔设计

经现场多次定向长钻孔施工，验证及完善设定，为工程施工成功实践经验。施工前必须满足定向长钻孔钻机就位及作业的配套提升、运输、电力、通风、供水、排渣及排水的多种条件，通过对长距离薄煤层群地质情况分析，布孔方式的分析，钻进方法的分析，将定向长钻孔方法应用于长距离薄煤层群石门揭煤区域防突施工中，研究钻孔设计、钻场规划、抽掘衔接、强化措施，以实现长距离薄煤层群石门揭煤安全快速高效。

2.4.2 设备使用中风险评估与风险规避技术问题

钻孔施工期间未正确使用防喷装置、成孔未及时封孔连抽、停钻前未将钻孔内煤渣排净，可能造成钻孔内瓦斯积聚、压力增大，强烈瓦斯涌出引发喷孔、塌孔，引发瓦斯事故。钻孔钻进时煤体着火，孔内一氧化碳涌出可能造成一氧化碳超限及人员中毒风险。由于定向长钻孔钻进时前方赋存岩性及地质构造的不确定性，以及司钻人员操作技能的原因造成卡钻或风力马达损坏，导致较大的经济损失。

2.4.3 施工中重要技术问题研究

研究内容：通过对长距离薄煤层群地质情况分析，布孔方式的分析，钻进方法的分析，将定向长钻孔方法应用于长距离薄煤层群石门揭煤区域防突施工中，实现长距离薄煤层群石门揭煤安全快速高效。

需解决的关键技术问题：①供、排水及排渣受限。定向钻进采用水力驱动钻进，水量达15m3/h，用水量较大，需合理布置供排水系统，排出的废水泥浆、岩渣较多，需设置沉淀池沉淀，否则易造成排水设备的损坏，当无出矸系统时现场易堆积大量煤渣。②控制钻进探明煤层顶底板及赋存地质构造。由于定向长钻孔钻进时前方煤体赋存情况不清晰，钻进过程中易出现突遇岩石的情况（顶板、底板或地质构造），造成施工长距离钻孔或特定设计钻孔带来难题。在施工过程中通过压力表信息反馈以及气水分离装置返渣情况判断出目前孔内钻进情况，通过开设分支钻孔可保证钻头始终在煤体内钻进，减少无用钻孔的施工，提高单孔瓦斯抽放量。

2.4.4 主要创新点

①研究近法距薄煤群定向长钻孔预抽煤层瓦斯的布孔规划，使近法距薄煤层群揭煤实现联合抽采、立体抽采，为瓦斯治理争取时间和空间。②形成针对定向钻孔实施过程中薄弱区域的截流抽采技术，强化瓦斯治理效果。③应用气相压裂增透技术，提高煤层透气性，提高定向钻孔抽采过程中的抽采浓度。④矿井以瓦斯抽采为主期间，瓦斯抽采中定向钻进和普通旋转钻进相结合，实现钻孔控制范围全覆盖，消除瓦斯治理空白带；利用定向钻机的造斜功能和轨迹测量功能，搭配自行研发设计的防喷系统，确保施钻期间瓦斯管理安全可靠；实现分源抽采和分单元计量，满足抽采达标评判需要。