第45屆等級(jí)獎(jiǎng)?wù)撐?--大興礦瓦斯抽采以孔代巷技術(shù)研究與工程實(shí)踐
張朝川，徐世波，王安祝
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摘 ?要：針對(duì)大興礦復(fù)雜的頂板巖層地質(zhì)條件和瓦斯賦存運(yùn)移特征，開(kāi)展了以孔代巷技術(shù)研究，從采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律和鉆孔抽采特征方面，分析了高位水平長(zhǎng)鉆孔和大直徑定向鉆孔替代頂板抽采巷的技術(shù)原理。通過(guò)高位水平長(zhǎng)鉆孔的施工及抽采效果，探明頂板地層詳細(xì)信息，以此優(yōu)化定向鉆孔層位布置、鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)。抽采效果表明，該抽采模式可以在北二采區(qū)12煤層工作面應(yīng)用，研究可為井下瓦斯高效抽采與治理提供借鑒。
關(guān)鍵詞：水平長(zhǎng)鉆孔 ?大直徑定向鉆孔 以孔代巷 ?瓦斯抽采
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大興礦屬于煤層群開(kāi)采，煤層開(kāi)采過(guò)程中頂?shù)装鍘r層中形成采動(dòng)裂隙，鄰近層卸壓及本煤層瓦斯受采動(dòng)影響，在進(jìn)、回風(fēng)流壓差作用下，易造成上隅角及回風(fēng)巷超限。目前，針對(duì)上隅角及回風(fēng)巷瓦斯治理，通常采用頂板抽采巷、斜交鉆孔方式進(jìn)行頂板裂隙帶抽采。但專用抽采巷道施工工程量大、工期長(zhǎng)、成本高，斜交鉆孔受采動(dòng)影響抽采效果不理想等缺點(diǎn)，給采煤工作面瓦斯治理帶來(lái)諸多困擾。
基于此，以大興礦北二1203工作面為實(shí)踐進(jìn)行以孔代巷技術(shù)研究，通過(guò)施工高位水平長(zhǎng)鉆孔及大直徑定向鉆孔替代專用抽采巷進(jìn)行瓦斯抽采，使用常規(guī)液壓鉆機(jī)與ZDY12000LD千米定向鉆機(jī)相結(jié)合，利用各自施工鉆孔特點(diǎn)，控制不同重點(diǎn)瓦斯抽采區(qū)域。通過(guò)抽采效果分析，取得了良好的效果。
1 實(shí)踐工作面概況
工作面走向長(zhǎng)1668m，傾向長(zhǎng)150m，絕對(duì)涌出量50.41m3/min，為突出煤層。工作面為復(fù)合頂板巖層，老頂由厚度6.32m的粗砂巖、中砂巖組成，直接頂主要由厚度為2.88m的粉砂巖組成，采用全部垮落法管理頂板。該工作面為北二12層采區(qū)首采工作面，根據(jù)地質(zhì)條件分析12煤層開(kāi)采后，來(lái)自于10-2煤層和13、14煤層以及本煤層涌出的瓦斯，易造成上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限。
2 以孔代巷技術(shù)原理
在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于專用抽采巷道施工進(jìn)度等原因，限制了該工藝的發(fā)展應(yīng)用。以孔代巷技術(shù)就是利用一定數(shù)量的頂板高位水平長(zhǎng)鉆孔、大直徑定向鉆孔替代頂板抽采巷進(jìn)行頂板高效抽采，高位水平長(zhǎng)鉆孔可以在較短時(shí)間內(nèi)施工多個(gè)抽采濃度大、抽采穩(wěn)定的有效鉆孔，大直徑定向鉆孔通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡的精確控制，使鉆孔在回風(fēng)巷側(cè)頂板動(dòng)壓區(qū)域裂隙帶內(nèi)有效延伸，實(shí)現(xiàn)頂板動(dòng)壓區(qū)域裂隙帶內(nèi)的穩(wěn)定抽采，保證高濃度、大流量、長(zhǎng)時(shí)間的鉆孔抽采效果。
3 鉆孔設(shè)計(jì)與施工
3.1 高位水平長(zhǎng)鉆孔及大直徑定向鉆孔設(shè)計(jì)
⑴ 高位水平長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)目的要保證抽采工作面回采期間動(dòng)壓區(qū)間內(nèi)的裂隙通道及抽采工作面煤壁以及上隅角瓦斯。該工作面施工高位鉆場(chǎng)間距為140m，工作面推進(jìn)周期來(lái)壓步距為12m，鉆場(chǎng)布置在距12煤層頂板2m的巖層中，鉆孔終孔點(diǎn)控制在距煤層頂板25～42m之間，為保證抽采的連續(xù)性，兩組鉆孔施工合理壓茬距離確定為50m。見(jiàn)圖1，圖2。
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圖1 ?高位水平長(zhǎng)鉆孔平面布置示意圖
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圖2 ?高位水平長(zhǎng)鉆孔剖面布置示意圖
⑵ 大直徑定向鉆孔設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)目的要保證連續(xù)抽采頂板周期卸壓瓦斯，鉆孔布置原則參考高位水平長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)垂高，確保鉆孔抽采層位準(zhǔn)確，為實(shí)現(xiàn)以孔代巷目的，綜合地質(zhì)條件，因選擇較穩(wěn)定巖層施工，確保鉆孔施工成孔率及施工鉆孔數(shù)量，根據(jù)北二1203工作面煤層頂板12～19m和22～28m為砂巖層，巖體結(jié)構(gòu)較完整，結(jié)合頂板裂隙發(fā)育特征和大興礦生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定布孔層位為13m～30m之間。見(jiàn)圖3，圖4。
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圖3 ?大直徑定向鉆孔平面布置示意圖
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圖4 ?大直徑定向鉆孔剖面示意圖
3.2 高位水平長(zhǎng)鉆孔及大直徑定向鉆孔的施工
⑴ 高位水平長(zhǎng)鉆孔的施工
施工采用Ф94mm鉆頭+Ф89mm三棱鉆桿”鉆具組合，按照設(shè)計(jì)方位、傾角、孔深快速施工至預(yù)計(jì)抽采垂高。
⑵ 大直徑定向鉆孔的施工
開(kāi)孔采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工，主要目的是安裝孔口管和孔口四通及氣水分離器，并連接抽采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊抽采，防止鉆孔施工過(guò)程中瓦斯超限。
先導(dǎo)孔采用“Ф120mm鉆頭+Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至15m；
二次進(jìn)尺采用“Ф153mm/120mm鉆頭 +Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至10m；
三次擴(kuò)孔采用“Ф250mm/153mm擴(kuò)孔鉆頭+Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至9.5m。
按設(shè)計(jì)要求下入直徑Ф200mm套管9m，并采用兩堵一注方式進(jìn)行注漿固管。
鉆進(jìn)主要采用滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，同時(shí)，在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，可以采取復(fù)合鉆進(jìn)工藝。
采用的定向鉆具組合為：“Ф120mm鉆頭+Ф89mm孔底馬達(dá)+Ф89mm無(wú)磁鋼鉆具+Ф89mm通纜鉆桿”施工至設(shè)計(jì)孔深。定向鉆具組合，見(jiàn)圖5。
圖5 定向鉆具組合圖
4 瓦斯抽采效果分析
工作面回采期間對(duì)高位鉆場(chǎng)及千米鉆場(chǎng)抽采分支管路上都安裝了抽采計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平長(zhǎng)鉆孔和定向鉆孔的計(jì)量考察。
4.1高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采效果分析
北二1203工作面共施工8個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距140m，抽采服務(wù)范圍1137m，以8#鉆場(chǎng)為例，分析其抽采效果。2019年2月10日至26日持續(xù)抽采17天，單日最大抽采純流量達(dá)10.23m3/min，抽采總純量16萬(wàn)m3。累計(jì)抽采總量136萬(wàn)m3。見(jiàn)表1，表2。
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表1 ?北二1203回順8#高位鉆場(chǎng)單日鉆孔瓦斯抽采量
序號(hào) | 孔號(hào) | 實(shí)鉆孔深（m） | 濃度（%） | 下套管長(zhǎng)度（m） | 單孔混量（m3/min） | 單孔純量（m3/min） | 總純量 （m3/min） |
1 | 1#?高位 | 193 | 30 | 12 | 0.83 | 0.25 | 10.23 |
2 | 2#?高位 | 193 | 45 | 189 | 0.83 | 0.37 | |
3 | 3#?高位 | 193 | 12 | ||||
4 | 4#?高位 | 194 | 183 | ||||
5 | 5#?高位 | 173 | 100 | 12 | 2.62 | 2.62 | |
6 | 6#?高位 | 192 | 50 | 177 | 3.71 | 1.86 | |
7 | 7#?高位 | 192 | 90 | 12 | 1.17 | 1.05 | |
8 | 8#?高位 | 158 | 60 | 117 | 3.71 | 2.23 | |
9 | 9#?高位 | 142 | 12 | ||||
10 | 10#?高位 | 127 | 100 | 132 | 1.85 | 1.85 |
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表2 ?北二1203回順8#高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采總純量
鉆場(chǎng)編號(hào) | 觀測(cè)日期 | 總純量（m3/min） |
8#? | 2019年2月10日 | 10.23 |
2019年2月11日 | 8.51 | |
2019年2月12日 | 8.87 | |
2019年2月13日 | 8.34 | |
2019年2月14日 | 9.41 | |
2019年2月15日 | 6.18 | |
2019年2月16日 | 6.9 | |
2019年2月17日 | 7.1 | |
2019年2月18日 | 6.17 | |
2019年2月19日 | 5.62 | |
2019年2月20日 | 8.91 | |
2019年2月21日 | 7.69 | |
2019年2月22日 | 5.31 | |
2019年2月23日 | 5.31 | |
2019年2月24日 | 3.41 | |
2019年2月25日 | 2.89 | |
2019年2月26日 | 0.56 | |
抽采總純流量：111.41?m3/min ???累計(jì)抽采總純量：16萬(wàn)m3 | ||
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高位鉆場(chǎng)抽采純流量隨抽采時(shí)間變化曲線如圖6所示。
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圖6 ?高位鉆場(chǎng)純瓦斯流量隨抽采時(shí)間變化曲線
高位鉆場(chǎng)抽采純流量隨工作面過(guò)終孔點(diǎn)距離變化曲線如圖7所示。
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圖7 ?高位鉆場(chǎng)純瓦斯流量隨工作面過(guò)終孔點(diǎn)距離變化曲線
初期抽采階段為工作面推進(jìn)且過(guò)鉆孔終孔點(diǎn)20m時(shí)，高位水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯流量明顯增大，其中5#孔純量達(dá)2.62m3/min。工作面繼續(xù)推進(jìn)100m范圍內(nèi)為抽采穩(wěn)定階段。當(dāng)工作面過(guò)終孔點(diǎn)距離120m以后，鉆場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)入抽采衰減階段，此時(shí)下一個(gè)接續(xù)鉆場(chǎng)正好處于鉆孔初期抽采階段，保證工作面持續(xù)抽采。
4.2大直徑定向鉆孔抽采效果分析
北二1203工作面從回順500m至回順口沒(méi)有設(shè)計(jì)、施工高位鉆場(chǎng)，待采階段僅僅依靠斜交鉆場(chǎng)的傾斜鉆孔抽采，做不到連續(xù)抽采。北二1203工作面“千米鉆場(chǎng)”施工完成大直徑定向鉆孔累計(jì)進(jìn)尺3547m。各鉆孔竣工時(shí)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)狀情況，見(jiàn)表3。
表3 ?北二1203回順大直徑定向鉆孔竣工數(shù)據(jù)
序號(hào) | 孔號(hào) | 孔段（m） | 孔深（m） | 下Φ89 | 開(kāi)孔傾角（°） | 開(kāi)孔方位（°） |
套管（m） | ||||||
1 | 1#梳狀孔 | 0～522 | 528 |
| 4.5 | 361 |
2 | 1-1#梳狀孔分支 | 396～411 | 15 |
| —— | —— |
3 | 1#定向孔 | 0～555 | 563 | 279 | 9.4 | 366.5 |
4 | 1-1#定向孔分支 | 261～563 | 302 |
| —— | —— |
5 | 2#定向孔 | 0～534 | 542 | 534 | 12.9 | 364.4 |
6 | 3#定向孔 | 0～477 | 477 |
| 11.7 | 340 |
7 | 4#定向孔 | 0～306 | 312 | 297 | 12.7 | 349.5 |
8 | 5#定向孔 | 0～570 | 576 | 516 | 11.3 | 333.8 |
9 | 6#定向孔 | 0～453 | 459 | 450 | 8 | 340 |
合計(jì) |
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| 3547 |
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瓦斯抽采前期，高位水平長(zhǎng)鉆孔直接作用于采空區(qū)高濃瓦斯積聚區(qū)，抽采效果明顯較大直徑定向鉆孔好。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，高位水平長(zhǎng)鉆孔逐漸脫離最佳抽采冒落區(qū)域，而大直徑定向鉆孔始終保持在采動(dòng)裂隙發(fā)育地帶，抽采效果逐漸凸顯，抽采平均純量與濃度逐步增加，并超過(guò)高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采水平。見(jiàn)圖8。
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圖8 ?大直徑定向鉆孔與高位水平長(zhǎng)鉆孔對(duì)比曲線
北二1203千米鉆場(chǎng)施工的大直徑定向鉆孔從回順口延伸至回采區(qū)域的抽采服務(wù)范圍540m，當(dāng)工作面推進(jìn)至回順最后一個(gè)高位鉆場(chǎng)時(shí)大直徑定向鉆孔開(kāi)始進(jìn)入抽采初期階段，保證了鉆孔的連續(xù)抽采。大直徑定向鉆孔累計(jì)抽采瓦斯75萬(wàn)m3。
在高位水平長(zhǎng)鉆孔和大直徑定向鉆孔抽采區(qū)域范圍內(nèi)，隨著鉆孔抽采瓦斯純量的持續(xù)增大，工作面上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.34%～0.45%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.42%～0.53%，抽采純量平均達(dá)到15m m3/min，抽采濃度32%。通過(guò)兩種鉆孔相結(jié)合，在控制范圍上能夠滿足采面瓦斯治理工程布控需要，在抽采接續(xù)上能夠?qū)崿F(xiàn)較好的接續(xù)效果。圖9。
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圖9 ?大直徑定向鉆孔與高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采示意圖
5 結(jié)論
⑴ 以孔代巷在技術(shù)上是可行的，適用于大興礦北二采區(qū)12煤層工作面。通過(guò)對(duì)大直徑定向鉆孔軌跡的精確控制，提前在工作面頂板采動(dòng)裂隙帶內(nèi)施工梳狀預(yù)抽鉆孔，將大直徑定向鉆孔以最長(zhǎng)化地展布在瓦斯積聚的水平裂隙巖層帶內(nèi)，結(jié)合高位水平長(zhǎng)鉆孔對(duì)工作面推進(jìn)時(shí)局部巖體卸壓瓦斯的快速抽采，抽采范圍將更具規(guī)模，以孔代巷抽采瓦斯將具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
⑵ 根據(jù)瓦斯抽采效果，大直徑定向鉆孔與高位水平長(zhǎng)鉆孔都有各自的優(yōu)點(diǎn)，大直徑定向鉆孔抽采瓦斯在控制鉆孔預(yù)抽層位上具有明顯優(yōu)勢(shì)，抽采效果更穩(wěn)定，高位水平長(zhǎng)鉆孔初期瓦斯抽采能力更強(qiáng)，解決局部瓦斯涌出效果較好。結(jié)果表明，北二1203工作面利用高位水平長(zhǎng)鉆孔和大直徑定向鉆孔可替代頂板瓦斯道抽采。
⑶ 兩種控制不同重點(diǎn)區(qū)域的鉆孔相結(jié)合的瓦斯抽采方式，為以孔代巷技術(shù)的研究與實(shí)施提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。
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作者簡(jiǎn)介：張朝川（1986-），男，工程師，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全工程學(xué)院，現(xiàn)任鐵煤集團(tuán)大興煤礦抽采一隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)。聯(lián)系電話：15141002931。
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