第45屆等級獎論文---大興礦瓦斯抽采以孔代巷技術(shù)研究與工程實踐
張朝川，徐世波，王安祝
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摘 ?要：針對大興礦復雜的頂板巖層地質(zhì)條件和瓦斯賦存運移特征，開展了以孔代巷技術(shù)研究，從采動裂隙發(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。通過高位水平長鉆孔的施工及抽采效果，探明頂板地層詳細信息，以此優(yōu)化定向鉆孔層位布置、鉆具組合和鉆進參數(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采，煤層開采過程中頂?shù)装鍘r層中形成采動裂隙，鄰近層卸壓及本煤層瓦斯受采動影響，在進、回風流壓差作用下，易造成上隅角及回風巷超限。目前，針對上隅角及回風巷瓦斯治理，通常采用頂板抽采巷、斜交鉆孔方式進行頂板裂隙帶抽采。但專用抽采巷道施工工程量大、工期長、成本高，斜交鉆孔受采動影響抽采效果不理想等缺點，給采煤工作面瓦斯治理帶來諸多困擾。
基于此，以大興礦北二1203工作面為實踐進行以孔代巷技術(shù)研究，通過施工高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔替代專用抽采巷進行瓦斯抽采，使用常規(guī)液壓鉆機與ZDY12000LD千米定向鉆機相結(jié)合，利用各自施工鉆孔特點，控制不同重點瓦斯抽采區(qū)域。通過抽采效果分析，取得了良好的效果。
1 實踐工作面概況
工作面走向長1668m，傾向長150m，絕對涌出量50.41m3/min，為突出煤層。工作面為復合頂板巖層，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煤層開采后，來自于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巷瓦斯超限。
2 以孔代巷技術(shù)原理
在煤礦實際生產(chǎn)過程中，由于專用抽采巷道施工進度等原因，限制了該工藝的發(fā)展應用。以孔代巷技術(shù)就是利用一定數(shù)量的頂板高位水平長鉆孔、大直徑定向鉆孔替代頂板抽采巷進行頂板高效抽采，高位水平長鉆孔可以在較短時間內(nèi)施工多個抽采濃度大、抽采穩(wěn)定的有效鉆孔，大直徑定向鉆孔通過對鉆孔軌跡的精確控制，使鉆孔在回風巷側(cè)頂板動壓區(qū)域裂隙帶內(nèi)有效延伸，實現(xiàn)頂板動壓區(qū)域裂隙帶內(nèi)的穩(wěn)定抽采，保證高濃度、大流量、長時間的鉆孔抽采效果。
3 鉆孔設計與施工
3.1 高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔設計
⑴ 高位水平長鉆孔設計
設計目的要保證抽采工作面回采期間動壓區(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間距為140m，工作面推進周期來壓步距為12m，鉆場布置在距12煤層頂板2m的巖層中，鉆孔終孔點控制在距煤層頂板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。見圖1，圖2。
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圖1 ?高位水平長鉆孔平面布置示意圖
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圖2 ?高位水平長鉆孔剖面布置示意圖
⑵ 大直徑定向鉆孔設計
設計目的要保證連續(xù)抽采頂板周期卸壓瓦斯，鉆孔布置原則參考高位水平長鉆孔設計垂高，確保鉆孔抽采層位準確，為實現(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)實踐經(jīng)驗，確定布孔層位為13m～30m之間。見圖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 高位水平長鉆孔及大直徑定向鉆孔的施工
⑴ 高位水平長鉆孔的施工
施工采用Ф94mm鉆頭+Ф89mm三棱鉆桿”鉆具組合，按照設計方位、傾角、孔深快速施工至預計抽采垂高。
⑵ 大直徑定向鉆孔的施工
開孔采用普通回轉(zhuǎn)鉆進工藝施工，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)，實現(xiàn)邊鉆進邊抽采，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限。
先導孔采用“Ф120mm鉆頭+Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進至15m；
二次進尺采用“Ф153mm/120mm鉆頭 +Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至10m；
三次擴孔采用“Ф250mm/153mm擴孔鉆頭+Ф89mm鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至9.5m。
按設計要求下入直徑Ф200mm套管9m，并采用兩堵一注方式進行注漿固管。
鉆進主要采用滑動鉆進工藝，同時，在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，可以采取復合鉆進工藝。
采用的定向鉆具組合為：“Ф120mm鉆頭+Ф89mm孔底馬達+Ф89mm無磁鋼鉆具+Ф89mm通纜鉆桿”施工至設計孔深。定向鉆具組合，見圖5。
圖5 定向鉆具組合圖
4 瓦斯抽采效果分析
工作面回采期間對高位鉆場及千米鉆場抽采分支管路上都安裝了抽采計量裝置，實現(xiàn)對水平長鉆孔和定向鉆孔的計量考察。
4.1高位水平長鉆孔抽采效果分析
北二1203工作面共施工8個高位鉆場，鉆場間距140m，抽采服務范圍1137m，以8#鉆場為例，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10.23m3/min，抽采總純量16萬m3。累計抽采總量136萬m3。見表1，表2。
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表1 ?北二1203回順8#高位鉆場單日鉆孔瓦斯抽采量
序號 | 孔號 | 實鉆孔深（m） | 濃度（%） | 下套管長度（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#高位鉆場瓦斯抽采總純量
鉆場編號 | 觀測日期 | 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 ???累計抽采總純量：16萬m3 | ||
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高位鉆場抽采純流量隨抽采時間變化曲線如圖6所示。
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圖6 ?高位鉆場純瓦斯流量隨抽采時間變化曲線
高位鉆場抽采純流量隨工作面過終孔點距離變化曲線如圖7所示。
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圖7 ?高位鉆場純瓦斯流量隨工作面過終孔點距離變化曲線
初期抽采階段為工作面推進且過鉆孔終孔點20m時，高位水平長鉆孔瓦斯流量明顯增大，其中5#孔純量達2.62m3/min。工作面繼續(xù)推進100m范圍內(nèi)為抽采穩(wěn)定階段。當工作面過終孔點距離120m以后，鉆場開始進入抽采衰減階段，此時下一個接續(xù)鉆場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至回順口沒有設計、施工高位鉆場，待采階段僅僅依靠斜交鉆場的傾斜鉆孔抽采，做不到連續(xù)抽采。北二1203工作面“千米鉆場”施工完成大直徑定向鉆孔累計進尺3547m。各鉆孔竣工時結(jié)構(gòu)和產(chǎn)狀情況，見表3。
表3 ?北二1203回順大直徑定向鉆孔竣工數(shù)據(jù)
序號 | 孔號 | 孔段（m） | 孔深（m） | 下Φ89 | 開孔傾角（°） | 開孔方位（°） |
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 |
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| 3547 |
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瓦斯抽采前期，高位水平長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，高位水平長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，并超過高位水平長鉆孔抽采水平。見圖8。
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圖8 ?大直徑定向鉆孔與高位水平長鉆孔對比曲線
北二1203千米鉆場施工的大直徑定向鉆孔從回順口延伸至回采區(qū)域的抽采服務范圍540m，當工作面推進至回順最后一個高位鉆場時大直徑定向鉆孔開始進入抽采初期階段，保證了鉆孔的連續(xù)抽采。大直徑定向鉆孔累計抽采瓦斯75萬m3。
在高位水平長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%，回風瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.42%～0.53%，抽采純量平均達到15m m3/min，抽采濃度32%。通過兩種鉆孔相結(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。通過對大直徑定向鉆孔軌跡的精確控制，提前在工作面頂板采動裂隙帶內(nèi)施工梳狀預抽鉆孔，將大直徑定向鉆孔以最長化地展布在瓦斯積聚的水平裂隙巖層帶內(nèi)，結(jié)合高位水平長鉆孔對工作面推進時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。
⑵ 根據(jù)瓦斯抽采效果，大直徑定向鉆孔與高位水平長鉆孔都有各自的優(yōu)點，大直徑定向鉆孔抽采瓦斯在控制鉆孔預抽層位上具有明顯優(yōu)勢，抽采效果更穩(wěn)定，高位水平長鉆孔初期瓦斯抽采能力更強，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)的研究與實施提供了實踐基礎。
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作者簡介：張朝川（1986-），男，工程師，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學安全工程學院，現(xiàn)任鐵煤集團大興煤礦抽采一隊副隊長。聯(lián)系電話：15141002931。
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