高位定向長鉆孔在工作面瓦斯治理中的應用

桃園煤礦井田位于安徽省宿州市南部北楊寨行政鄉(xiāng)內(nèi)，北距宿州市12km、淮北市約70km，南距蚌埠市75km。其北界為F1斷層，南部以10勘探線為界與祁南礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤-800m底板等高線的水平投影為界。井田南北走向長15km，東西傾向寬1.5～3.5km，井田面積32km2.桃園煤礦于1983年建設，1995年投產(chǎn)，設計生產(chǎn)為90萬噸，礦井主要回采10煤、82煤及7煤。

　　桃園煤礦原設計為低瓦斯礦井，1988由煤科總院撫順分院對該礦重新進行核定，改為高瓦斯礦井;2005年由煤科總院重慶分院進行了煤與瓦斯突出危險性鑒定，經(jīng)安徽省經(jīng)貿(mào)委批準桃園煤礦為煤與瓦斯突出礦井，82煤為突出煤層，2010年由中國礦業(yè)大學進行區(qū)域劃分，-520m以淺區(qū)域為無突出危險區(qū)，-520m及-520m為突出危險區(qū)。

　　2   工作面概況及瓦斯參數(shù)

　　Ⅱ8221工作面是Ⅱ2采區(qū)首個82煤工作面，可采走向長645m，傾斜寬193m，煤層厚1.8～2.2m，平均2.0m。煤層頂板從下向上依次為砂巖（厚7.4m），粉砂巖（厚9.8m）、泥巖（厚4.0m）、72煤（厚0.6m）。

　　Ⅱ8221工作面設計回采標高為m，位于82煤層突出危險區(qū)，工作面回采前，下方10煤層保護層工作面已經(jīng)回采結束，經(jīng)過保護層效果考察，里段550m處于保護范圍內(nèi)，實測原始瓦斯壓力0.42MPa，原始瓦斯含量4.46m3/t。

　　3   高位定向長鉆孔施工工藝

　　3.1   高位定向長鉆孔施工必要性

　　為解決工作面回采后采空區(qū)上隅角瓦斯問題，傳統(tǒng)方式為間隔80m左右施工若干高位鉆場和高位鉆孔，孔深在80m～120m之間，該方式鉆機搬運頻繁、效率低，鉆孔軌跡難以控制，有效孔段距離短，抽采效果不佳，過鉆場期間往往導致瓦斯預警，安全得不到有效保障，高位定向長鉆孔不僅深度大，且鉆孔軌跡精確可控，可有效保障采空區(qū)瓦斯得到連續(xù)抽采，可實現(xiàn)工作面安全高效回采。

　　3.2   高位定向長鉆孔層位選擇

　　當回采工作面推進到使上覆巖層充分運動后，根據(jù)巖層運動（或破壞）發(fā)展程度，可將上覆巖層分為4帶，即垮落帶、裂隙貫穿帶、離層裂縫帶、彎曲下沉帶。①垮落帶，在老塘內(nèi)已經(jīng)垮落，在推進方向上不能始終保持傳遞水平力，包括直接頂和部分老頂?shù)目迓洌话阏J為，垮落帶高度為煤層采出厚度的3～5倍，是開采初期瓦斯聚集的主要空間，在工作面抽采瓦斯初期，將抽采鉆孔鉆進到此位置能抽出大量的瓦斯。②裂隙貫穿帶，其貫通的裂隙是瓦斯的滲透通道，大量煤層中的泄壓瓦斯都會有此空間涌出，將抽采鉆孔鉆進到此地帶將能抽出大量的高濃度瓦斯。③離層裂縫帶，   只在上部層面處開裂成縫，而不產(chǎn)生豎向裂隙，連續(xù)性較好，瓦斯由此空間運移較少。④彎曲下沉帶，該區(qū)巖層在采場推進很長一段距離后才會運動，運動極為緩慢。當煤層開采后，周圍巖層受采動影響自下而上發(fā)生位移，引起地應力的重新分布。煤層隨工作面回采，在工作面周圍將形成“豎三帶”和“橫三區(qū)”的采動壓力場。高位定向長鉆孔則主要抽放垂直方向上裂隙帶內(nèi)、水平方向上，包括重新壓實區(qū)、離層區(qū)和煤壁支撐影響區(qū)在內(nèi)的大量瓦斯。布置在離層區(qū)和裂隙帶的高位定向長鉆孔隨著采動影響，工作面煤壁受壓產(chǎn)生拉伸破壞或剪切破壞，形成垂向裂隙，煤體中的原始瓦斯壓力降低，吸附瓦斯解吸成為游離瓦斯，這部分瓦斯又通過煤壁裂隙和頂板裂隙流入抽放鉆孔。

　　3.3   高位定向鉆孔設計

　　根據(jù)上述綜合分析，我礦82煤層頂板從下向上依次為砂巖（厚7.4m），粉砂巖（厚9.8m）、泥巖（厚4.0m）、72煤（厚0.6m），為兼顧抽采上方72煤卸壓瓦斯，高位定向長鉆孔設計在煤層頂板粉砂巖中，與風巷平距10m～50m，法距10m～15m范圍內(nèi)效果最佳。

　　Ⅱ8221   工作面高位定向長鉆孔設計

　　3.3   高位定向長鉆孔施工工藝

　　鉆孔設備：鉆孔施工選用煤炭科學研究總院西安分院研制的 ZDY-12000LD型全液壓鉆機，轉速范圍寬、扭矩大，額定轉矩12000N.m，配備BLY460履帶式泥漿泵站及 YHD3-1500泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，鉆進深度設計2000m，能夠滿足施工要求;抽放鉆孔終孔Φ133mm;與其配套的Φ89mm肋骨鉆桿 和Φ120mm定向鉆頭、Φ133mmPDC鉆頭。

　　施工工藝：①嚴格按設計施工，不得出現(xiàn)俯角孔段，防止鉆孔積水影響抽采效果。②首次使用了復合鉆進技術，即用高壓水驅動孔底馬達帶動鉆頭旋轉切削巖石的同時，通過鉆機回轉器帶動鉆桿旋轉來增強鉆孔的排渣能力，以此來增加鉆孔成孔的光滑度，從而降低鉆孔施工的摩擦阻力，保證鉆孔成孔光滑。③定向鉆進每加一根鉆桿必須校正工具面，嚴格按設計或技術人員指定的工具面施工。④原則上每3米進行一次測量，異常情況或根據(jù)需要每1米測量一次，每施工4個測點上圖分析一次，鉆孔施工要記錄好巖性，及時上圖分析調整鉆孔軌跡。⑤定向鉆進期間嚴禁鉆機反轉，鉆進過程中若出現(xiàn)堵孔、憋泵、噴孔或者給進壓力明顯增大等情況及時匯報，及時擴孔保證鉆孔后路暢通，排渣順暢。⑥鉆桿每隔200m加一個返水逆止閥，有效控制了拆卸鉆桿時的返水量，大大減少每次加鉆桿時的送水時間，鉆孔平均日進度超過90m/d。⑦通過鉆孔的返渣粒度、返水顏色及鉆機泵壓判斷層位，及時調整鉆孔的方位、傾角，鉆孔施工全過程視頻監(jiān)控，通過視頻看井下隨鉆測量系統(tǒng)，實時掌握鉆孔施工軌跡，確保鉆孔在設計層位內(nèi)施工。 　　4   效果分析

　　4.1   鉆孔效果

　　①通過施工工藝創(chuàng)新和過程嚴密管控，刷新了淮北礦區(qū)定向高位鉆孔單孔施工深度紀錄，最長孔深達到956m。

　　②通過對篩管的加工工藝反復實驗，結合下套管過程中遇到的問題，不斷優(yōu)化篩管的直徑、連接絲扣處的加工工藝，最終通過下Φ73mm接頭接直徑Φ50mm篩管，解決套管絲扣強度低的問題，單孔下篩管深度最深達528m，確保了抽采效果。

　　4.2   經(jīng)濟效果

　　減少施工高位鉆場7個，巖巷工程量70m，減少高位鉆孔6700m，同時減少鉆機、掘進隊伍投入，有效降低了瓦斯治理成本。

　　4.3   抽采效果

　　工作面回采42m后定向長鉆孔抽采效果開始逐步提升，正常回采期間定向鉆孔抽采總濃度最大90%，平均40%，總抽采純量9.6m3/min，平均5.8m3/min;實現(xiàn)了連續(xù)抽采，鉆孔利用率高，杜絕了傳統(tǒng)高位鉆孔過鉆場（鉆孔）抽采不連續(xù)，經(jīng)常出現(xiàn)過鉆場（鉆孔）期間瓦斯超限、預警問題，工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲?.3%，回風流瓦斯?jié)舛仍?.2%以下，成功代替高位鉆孔和攔截鉆孔，為工作面安全、高效回采打下基礎。

　　定向鉆永久合茬抽采后，礦安排專人對鉆孔單孔抽采效果進行觀測、分析，單孔抽采濃度最大達到90%，抽采純量4.1m3/min，通過對單孔的抽采效果、鉆孔施工層位及工作面回采進度的關系進行分析情況看，3#、4#、5#孔抽采效果好于1#、2#鉆孔，分析認為主要原因是1#、2#鉆孔距離風巷及上區(qū)段采空區(qū)較近，施工層位相對較低，圍巖裂隙發(fā)育，抽采期間鉆孔漏氣造成抽采效果差，后期設計定向鉆孔時應避開風巷及上區(qū)段采空區(qū)影響范圍，確保鉆孔抽采效果。