文建東

(甘肅靖煤能源有限公司魏家地煤礦，甘肅省白銀市，730913)

厚煤層工作面快速回采易誘發(fā)瓦斯異常涌出的問題[1-2]，頂板鉆孔抽采是治理工作面瓦斯異常涌出的有效措施之一，其鉆孔設(shè)計需要合理確定頂板鉆孔的施工層位，關(guān)鍵是確定工作面頂板裂縫帶的高度區(qū)間[3-4]，只有將頂板鉆孔水平部分布設(shè)在工作面上覆巖層的裂縫帶內(nèi)，才能起到較好的瓦斯抽采效果。隨著鉆進技術(shù)的提升，定向鉆孔抽采瓦斯在井下巷道掘進和工作面回采中大量應(yīng)用[5-9]。定向鉆孔抽采瓦斯具有施工鉆場少、施工過程中對生產(chǎn)干擾少、瓦斯抽采濃度和抽采量波動變化小等優(yōu)點，但是對鉆孔施工層位準(zhǔn)確度要求較高。

近年來，許多研究人員對定向鉆孔合理層位選擇及施工技術(shù)進行了大量的研究。侯國培等[10]分析了不同高度下定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，得出了最佳定向鉆孔布置高度；陳曉永[11]將定向鉆機的高定向長鉆孔施工與復(fù)雜巖層中的常規(guī)開采鉆孔相結(jié)合，提出了一種應(yīng)用于深部煤層氣開采的高定向深孔三維開采技術(shù)；張維等[12]通過模擬頂板和底板開采的影響范圍，提出了在含氣儲層分布的周邊圍巖中進行定向長鉆孔的合理層位設(shè)計和最佳層位布置；趙鵬翔等[13]使用Fluent數(shù)值軟件模擬了協(xié)同開采不同開采方法的布局，分析了每種布局條件下工作面上隅角瓦斯?jié)舛龋⒋_定了各層的最佳布局。目前相關(guān)研究主要集中在定向長鉆孔合理層位選擇，但對瓦斯來源和涌出規(guī)律、定向長孔的優(yōu)化施工研究不足。

魏家地煤礦1號煤層頂板與底板松軟破碎、易發(fā)生塑性流變。在煤巖層中施工瓦斯抽采鉆孔時，易發(fā)生鉆孔垮塌、鉆桿抱死，甚至鉆桿斷裂、丟鉆等現(xiàn)象。為此，筆者研究一種在松軟破碎地層中高效鉆進的施工工藝，保障施工進度與成孔質(zhì)量；同時，為提高鉆孔封孔質(zhì)量，對封孔技術(shù)進行優(yōu)化研究，形成一套可行、高效的注漿封孔工藝。在此基礎(chǔ)上，分析了魏家地煤礦北1103工作面煤層地質(zhì)條件，開展特厚煤層瓦斯涌出規(guī)律和工作面頂?shù)装宥ㄏ蚋呶婚L鉆孔抽采技術(shù)優(yōu)化研究，并在北1103工作面回風(fēng)巷及通防巷開展抽采技術(shù)試驗，以提高礦井瓦斯抽采效果，保證回采工作面安全生產(chǎn)，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

魏家地煤礦是核定生產(chǎn)能力3.0 Mt/a的煤與瓦斯突出礦井，采用“一主井、兩副井、三風(fēng)井”開拓方式，綜合機械化放頂煤采煤工藝。礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置處于祁連地槽區(qū)北、祁連褶皺帶東端與鄂爾多斯臺向斜的結(jié)合部位，區(qū)域構(gòu)造線基本走向為N60°～70°W。魏家地井田位于寶積山向斜的東南翼，實為一復(fù)式的單斜構(gòu)造，地層走向N45°～50°W，傾向NE。井田內(nèi)主要可采煤層為1號、3號煤層，分布面積廣，厚度大且較穩(wěn)定，2號煤層為局部分布、局部可采的不穩(wěn)定煤層。礦井瓦斯絕對涌出量為76.32 m3/min，相對瓦斯涌出量為12.39 m3/t。由于1號煤層與下部的2號煤層相距僅為9 m，工作面瓦斯涌出主要受周邊原始狀態(tài)的本煤層及鄰近煤層影響。

1.2 煤層概況

1號煤層為主采煤層，內(nèi)生裂隙發(fā)育，屬于煤與瓦斯突出煤層。沿走向自南向北煤層厚度逐漸變薄，煤層厚度5.71～16.96 m，平均厚度11.2 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸1～4層，夾矸厚度0.33～5.34 m。煤層基本頂為灰白色粗砂巖、含礫粗砂巖。1號煤層原始瓦斯含量為9.22～10.17 m3/t，原始瓦斯壓力0.38～1.52 MPa，平均煤層堅固性系數(shù)0.3～0.8，瓦斯放散初速度14.3～32.0 mL/s，透氣性系數(shù)0.011 6～0.052 0 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔初始流量0.060 5～0.085 1 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.110 1～0.466 0 d-1。1號煤層頂板與底板松軟破碎、易發(fā)生塑性流變。因此，在煤巖層中施工瓦斯抽采鉆孔時，易發(fā)生鉆孔垮塌、鉆桿抱死，甚至鉆桿斷裂、丟鉆等現(xiàn)象。

1.3 工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀分析

北1103工作面上隅角因受到本煤層瓦斯和下部2號煤層卸壓涌入采空區(qū)的瓦斯影響，導(dǎo)致其濃度較高，對安全生產(chǎn)造成影響；且工作面頂板裂縫帶范圍存在泥巖層(厚度3～6 m)，在工作面采取“高位鉆場頂板巖石走向鉆孔+回風(fēng)穿層高位鉆孔”抽采裂縫帶瓦斯措施時，鉆孔頻繁受泥巖層影響縮孔，致使大部分鉆孔抽采失效，采空區(qū)裂縫帶瓦斯不能有效抽采。為有效解決扇形鉆孔施工受泥巖影響問題，研究采取頂板定向高位長鉆孔和底板低位定向攔截鉆孔技術(shù)，拓寬鄰近層瓦斯攔截抽采手段，并對鉆孔工藝進行優(yōu)化，減少鉆孔施工受泥巖層影響的難題。

2 工作面瓦斯運移及涌出規(guī)律

2.1 瓦斯在底板煤巖體中的運移儲集規(guī)律

1號煤層回采后，將會破壞2號和3號煤層中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致煤巖體的變形，裂隙增多，透氣性增大，實測發(fā)現(xiàn)2號煤層中透氣性系數(shù)受采動影響卸壓后可達原煤層的 482～1 890倍。工作面開采穩(wěn)定后底板裂隙貫穿2號煤層，煤層位于底鼓裂縫帶內(nèi)，3號煤層頂板部分裂隙發(fā)育，底板卸壓瓦斯主要來源于2號煤層，被卸壓瓦斯沿裂隙涌向1號煤層回采工作面，由此回采過程中工作面瓦斯急劇增加。下鄰近被保護層瓦斯運移和儲集如圖1所示。

圖1 下鄰近被保護層卸壓瓦斯運移

底鼓裂縫帶下限為底板下方15～25 m，該帶煤巖層受到保護層采動作用的影響較大，裂隙發(fā)育充分，裂隙主要為順層裂隙和穿層裂隙。2種裂隙共同構(gòu)成了瓦斯流動和匯集的網(wǎng)絡(luò)通道。底鼓變形帶下限為底板下方50～60 m，該帶內(nèi)發(fā)育的裂隙以順層裂隙為主，穿層裂隙發(fā)育不足。因此2號煤層位于1號煤層開采后形成的底鼓裂縫帶內(nèi)，層間巖層裂隙發(fā)育充分，穿層裂隙將2號煤層與北1103工作面連通。卸壓瓦斯沿穿層裂隙排放到北1103工作面采空區(qū)，卸壓瓦斯在煤層瓦斯壓力及保護層北1103工作面通風(fēng)負(fù)壓作用下，沿層間穿層裂隙涌入北1103工作面，造成工作面、上隅角瓦斯超限，給保護層工作面的安全開采帶來隱患。因此，要有針對性地抽排2號煤層卸壓瓦斯，在通防巷施工定向攔截鉆孔。

2.2 瓦斯在裂縫帶內(nèi)的運移儲集規(guī)律

1號煤層回采時瓦斯運移與儲集主要有2部分：一部分混在風(fēng)流中經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)排放到大氣中，其他則儲集在采空區(qū)和采動裂隙中，由于瓦斯與周圍氣體存在密度差而升浮，同時受瓦斯?jié)舛忍荻鹊淖饔枚l(fā)生擴散，最終在覆巖裂縫帶內(nèi)形成高濃度的瓦斯富集。采動裂隙內(nèi)瓦斯運移與儲集規(guī)律如圖2所示。

圖2 采動裂隙內(nèi)瓦斯運移與儲集規(guī)律

1號煤層開采后，采空區(qū)頂板上方40～65 m范圍內(nèi)發(fā)育大量離層裂隙，為卸壓瓦斯的富集提供了儲存空間。2號煤層的部分瓦斯，在擴散和升浮的作用下沿頂板穿層裂隙向上擴散，最后聚集在1號煤層上方的離層裂隙中，形成瓦斯富集區(qū)域，為1號煤層工作面頂板裂縫帶瓦斯抽采鉆孔布置提供依據(jù)。

2.3 工作面瓦斯涌出構(gòu)成

北1103工作面瓦斯主要來源于本煤層瓦斯涌出(煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出)、采空區(qū)遺煤瓦斯涌出和下覆2號煤層瓦斯涌出3部分，其余瓦斯涌出量較少。按工作面設(shè)計日產(chǎn)量計算，日循環(huán)采空區(qū)遺煤瓦斯量3 285.45 m3，日循環(huán)煤壁瓦斯、落煤瓦斯量11 562.802 m3，日循環(huán)鄰近煤層瓦斯涌出量7 676.97 m3。

3 煤層瓦斯綜合防治技術(shù)

3.1 定向長鉆孔施工工藝優(yōu)化

由于多數(shù)定向鉆孔的鉆機屬于馬達驅(qū)動鉆頭，在松軟破碎層及泥巖層中鉆進時，大部分鉆桿在鉆孔內(nèi)不旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鉆孔排渣成為定向鉆孔首要解決的問題。因此魏家地煤礦在定向鉆孔施工工藝上進行了改進，針對松軟、破碎煤層定向鉆孔施工中出現(xiàn)的問題進行優(yōu)化。

(1)沿煤層層理走向開孔提高成孔率。在煤層走向角度基礎(chǔ)上設(shè)計鉆孔開孔角度，確保鉆孔能在前100 m范圍呈上仰趨勢，鉆孔的排渣效果較好。

(2)低壓低速鉆進降低了鉆孔壓力。鉆機的鉆進速度直接影響鉆孔煤屑粒度，煤屑粒度過大導(dǎo)致鉆孔排渣不利，鉆孔壓力過大，易導(dǎo)致鉆孔失敗。通過降低鉆機速度和煤屑粒度、增加沖孔時間，防止鉆孔內(nèi)鉆渣堵塞鉆孔，確保鉆孔內(nèi)壓力不受影響，保證鉆進正常。

(3)百米旋轉(zhuǎn)開孔法，即將MK系列鉆機和定向鉆進方法相結(jié)合，能有效避免鉆孔塌孔現(xiàn)象，特別是鉆孔百米范圍內(nèi)塌孔。百米旋轉(zhuǎn)開孔法首先用普通開孔方式進行擴孔、封孔，然后用普通鉆進方式進行旋轉(zhuǎn)鉆進進行初次探頂，退鉆后再安裝DDMS和孔底馬達，選擇分支點進行開分支，逐次向前定向鉆進，經(jīng)驗證該方法能有效降低鉆孔百米內(nèi)塌孔現(xiàn)象。

(4)對封孔工藝進行優(yōu)化，提高鉆孔封孔質(zhì)量。改變原有聚氨酯封孔方法，采用Φ159 mm PVC封孔管封孔，直接封入煤層頂板上的穩(wěn)定巖層中，采用高壓注漿泵帶壓注實膨脹水泥。在鉆孔破碎巖層段下入篩管，實現(xiàn)孔封嚴(yán)、管到位。采取帶壓封孔，注漿壓力2 MPa，對鉆孔周邊松散煤體和裂隙加強密封，當(dāng)裂隙較發(fā)育時可多次注漿，根據(jù)現(xiàn)場情況形成一套可行、高效的注漿封孔工藝。

3.2 頂板定向高位鉆孔優(yōu)化

為提高高位定向鉆孔瓦斯抽采效率，結(jié)合工作面上方實際巖性分布及瓦斯涌出規(guī)律，1號鉆孔布置在1號煤層頂板裂縫帶范圍內(nèi)，距離垮落帶上邊界15 m處的砂巖內(nèi)，距離1號煤層頂板垂距為60 m，鉆孔水平方向距離工作面回風(fēng)巷側(cè)煤幫20 m(內(nèi)錯)；2號鉆孔距離1號煤層頂板垂距為40 m，鉆孔水平方向距離工作面回風(fēng)巷側(cè)煤幫10 m (內(nèi)錯)，可根據(jù)1號鉆孔效果再進行微調(diào)。工作面開挖頂板塑性區(qū)分布及相似模擬試驗如圖3所示，高位定向鉆孔布置如圖4所示。實施高位定向鉆孔可在一定程度上解決目前上隅角瓦斯?jié)舛绕叩膯栴}。受工作面開挖影響，北1103工作面頂板塑性區(qū)高度約為39.13m，工作面巖層兩側(cè)垮落角為66°與68°，結(jié)合北1103工作面實際巖層資料進行相似模擬實驗，垮落帶范圍為41 m。

圖3 工作面開挖頂板塑性區(qū)分布及相似模擬實驗

圖4 高位定向鉆孔布置

3.3 底板低位定向鉆孔優(yōu)化

在北1103工作面施工低位定向鉆孔，定位攔截和抽采因煤層開采卸壓導(dǎo)致的2號煤層涌入上煤層采空區(qū)的瓦斯。低位定向鉆孔布置在距2號煤層頂板2 m處的煤層中，1號鉆孔布置在距1號煤層回風(fēng)巷幫15 m處，2號鉆孔布置在距1號鉆孔10 m處，3號鉆孔布置在距1號鉆孔10 m的靠近實體煤側(cè)，4號鉆孔距2號鉆孔10 m。低位定向鉆孔布置如圖5所示。

圖5 低位定向鉆孔布置

4 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

4.1 頂板定向高位鉆孔

根據(jù)北1103工作面布置特征，在距北1103工作面回風(fēng)巷開口位置以南680 m處布置1號鉆場，在北1103工作面回風(fēng)巷開口位置布置2號鉆場，施工定向高位鉆孔。2個鉆場各布置7個高位定向鉆孔，鉆孔總進尺分別為1 876、1 680 m。北1103工作面頂板定向孔布置如圖6所示，北1103工作面回風(fēng)巷1號鉆場頂板定向高位鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 北1103工作面回風(fēng)巷1號鉆場頂板定向高位鉆孔設(shè)計參數(shù)

圖6 北1103采面頂板定向孔布置

4.2 底板低位定向鉆孔

在距北1103工作面回風(fēng)巷開口位置以南680 m處布置鉆場，在鉆場以及北1103工作面通防巷施工低位攔截定向鉆孔，對回采期間涌出瓦斯進行抽采。在北1103工作面回風(fēng)巷以及通防巷內(nèi)共布置16個低位攔截定向鉆孔，鉆孔總進尺4 120 m。根據(jù)回采進度，低位攔截定向鉆孔終孔點位于推幫線。1號鉆場施工3個低位攔截孔，在通防巷2號鉆場施工13個鉆孔，孔徑100 mm，孔深238～262 m，總進尺4 120 m。底板定位攔截鉆孔參數(shù)見表2。

表2 北1103工作面底板低位定向鉆孔參數(shù)

4.3 瓦斯治理效果

4.3.1 定向鉆孔瓦斯抽采效果

為考察頂板定向高位鉆孔在層位及施工工藝技術(shù)優(yōu)化后的抽采效果，在每個鉆孔孔口均安設(shè)自動監(jiān)測傳感器及人工檢測口。自動監(jiān)測傳感器可實時監(jiān)測鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪?。?號鉆場為例，在監(jiān)測系統(tǒng)中提取了1號鉆場匯流管的瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪侩S工作面推進距離的動態(tài)變化關(guān)系，如圖7所示。由圖7可以看出，由于鉆孔末端處于采空區(qū)內(nèi)，在工作面生產(chǎn)時，采空區(qū)上部的裂縫帶已經(jīng)形成，積聚區(qū)瓦斯會大量被頂板定向高位鉆孔抽采，鉆孔內(nèi)瓦斯會逐步增大到最大高峰值。瓦斯抽采高峰時間持續(xù)了80 d，在抽采80 d后，鉆孔抽采量由4.0萬m3/d逐步降至1.2萬m3/d以下。

圖7 頂板定向高位鉆孔瓦斯抽采效果

底板低位定向鉆孔瓦斯抽采效果如圖8所示。由圖8可以看出，鉆孔能有效攔截下部煤層對上部開采區(qū)域生產(chǎn)時涌出的大量瓦斯，鉆孔瓦斯?jié)舛仁冀K保持在40%以上，瓦斯抽采量始終保持在1.5萬m3/d。

圖8 底板低位定向鉆孔瓦斯抽采效果

4.3.2 工作面瓦斯涌出情況

采用優(yōu)化后的定向高位鉆孔及底板低位鉆孔進行上/下鉆孔攔截抽采后，北1103工作面瓦斯涌出量急劇降低。北1103工作面瓦斯涌出動態(tài)曲線如圖9所示。由圖9可以看出，在未采取瓦斯綜合治理技術(shù)之間，北1103工作面上隅角及工作面瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.65%左右，；在實施綜合優(yōu)化措施后，工作面瓦斯涌出量由原來的32 m3/min降低至15 m3/min，瓦斯?jié)舛扔?.75%降低并穩(wěn)定在0.23%。工作面瓦斯涌出的有效控制極大地保障了礦井的安全生產(chǎn)，提升了工作面的生產(chǎn)率。

圖9 北1103工作面瓦斯涌出動態(tài)曲線

5 結(jié)論

(1)受瓦斯流動作用原理及卸壓瓦斯升浮特性影響，1號煤層開采后，2號煤層處于底板裂縫帶范圍，產(chǎn)生大量穿層裂隙，卸壓瓦斯大量上涌，客觀上造成工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸?；頂板方向上?號煤層開采后，采空區(qū)頂板上方40～65 m范圍內(nèi)發(fā)育大量離層裂隙，為卸壓瓦斯的富集提供了儲存空間。下覆煤層的部分瓦斯，在擴散和升浮的作用下沿頂?shù)装宕恿严?，向上擴散，最后聚集在1號煤層上方的離層裂隙中，形成瓦斯富集區(qū)域。工作面瓦斯主要來源于本煤層開采瓦斯涌出、采空區(qū)遺煤瓦斯涌出、下覆煤層瓦斯涌出3部分。

(2)針對定向長鉆孔施工的問題進行分析，對定向鉆孔的施工工藝進行優(yōu)化，同時為提高定向鉆孔的封孔質(zhì)量，采用帶壓封孔、膨脹水泥及對鉆孔周邊松散的煤體和裂隙加強密封等優(yōu)化措施，實現(xiàn)定向鉆孔的快速、安全鉆進。

(3)基于瓦斯涌出規(guī)律分析，為解決北1103工作面上隅角瓦斯問題，采取高位定向鉆孔直接抽采采空區(qū)瓦斯，聯(lián)合低位鉆孔抽采下煤層卸壓瓦斯方法，在應(yīng)用技術(shù)優(yōu)化的前提下開展現(xiàn)場工程實踐，實現(xiàn)了定向高位鉆孔及底板低位鉆孔的高效瓦斯抽采效果，有效保障了工作面的安全生產(chǎn)。工作面瓦斯涌出量由原來的32 m3/min降低至15 m3/min，瓦斯?jié)舛扔?.75%降低并穩(wěn)定在0.23%。