工作面顶板高位定向钻孔瓦斯抽采技术煤矿瓦斯治理经验交流材料.docx

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工作面顶板高位定向钻孔瓦斯抽采技术煤矿瓦斯治理经验交流材料

工作面顶板高位定向钻孔瓦斯抽采技术

晋煤集团寺河煤矿

寺河矿是国内乃至世界罕见的煤与瓦斯突出矿井。

煤矿井下定向长钻孔已在寺河矿本煤层区域瓦斯高效抽采普遍应用，并取得了显著的瓦斯治理效果，现已成为寺河矿瓦斯治理的关键技术手段。

3号煤是寺河矿的主采煤层，矿区总体划分为东、西两大主采盘区。

其中东盘区煤层条件较好，定向钻孔成孔率高，瓦斯抽采效果理想；而西盘区煤层普遍松软，定向长钻孔成孔困难，瓦斯治理效果相对较差。

这导致西盘区工作面在开采过程中工作面上隅角及回风瓦斯浓度偏高，影响安全生产。

为了解决西盘区工作面开采阶段的瓦斯问题，寺河矿尝试采用顶板高位定向长钻孔进行上隅角和回风瓦斯的治理。

一、工作面情况介绍

W1305工作面走向长度739.8m，倾斜长度226.04米，工作面采用走向长壁大采高自然冒落后退式综合机械化采煤方法。

1、地质条件

煤层条件：

W1305工作面3号煤层平均厚度6.1m，倾角0～10°，煤体普遍松软，以亮煤为主，光亮型，煤层结构简单。

顶板条件：

煤层顶板为细粒砂岩，厚度19.87m，浅灰色，厚层状，以石英为主，含粉砂岩包体，以均匀层理为主；直接顶为粉砂岩，厚度2.15m，灰色，中厚层状，含云母。

以小型交错层理为主。

含不完整植物化石；伪顶为炭质泥岩，厚度0.6m，灰黑色。

顶板岩性及构造，有利于顶板高位钻孔成孔。

2、煤层瓦斯情况

根据《矿井煤与瓦斯突出危险性鉴定》报告，寺河煤矿西井区3号煤层的瓦斯含量达16.6m3/t，最大瓦斯压力达2.12MPa，瓦斯放散初速度△P为33～47，为煤与瓦斯突出煤层。

3、通风系统情况

图1W1305工作面平面布置图

W1305工作面共布置六条顺槽，依次为W13057、W13055、W13051、W13053、W13052、W13054巷，工作面采用4进2回偏Y型通风方式，其中W13057、W13055、W13051、W13053巷为进风巷，W13052、W13054巷为回风巷。

W1305工作面平面布置如图1所示。

二高位定向钻孔布置情况

1、高位钻孔平面布孔设计

根据覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征以及寺河矿通风工作面通风特点，集合寺河矿实际情况，将试验高位定向钻孔钻场设于W13052巷，每个钻场设计高位钻孔4个，将钻孔终孔孔段（主抽采孔段）在平面上沿工作面走向布置在工作面以内W13053巷内帮15～60m范围内。

高位定向钻孔平面布孔方法如图2所示。

图2W1305工作面高位定向钻孔平面布孔方法

2、高位定向钻孔剖面层位选择

根据采空区上覆岩层运动的“竖三带”理论，将钻孔在剖面上布置在裂隙带内，形成了卸压瓦斯的流动通道，在该范围内抽放瓦斯效果最好。

W1305工作面3号煤层平均采高为6.1m，裂隙带在煤层以上18.0～31.0m。

考虑到岩层定向钻进钻具安全以及定向钻具造斜能力，此次试验将高位定向钻孔布置在据煤层以上2430m范围内的顶板中。

W13053巷高位定向钻孔剖面如图3所示。

图3W1305工作面高位定向钻孔剖面布孔方法

3、高位定向钻孔成孔方案

高位定向钻孔抽采瓦斯与常规煤层钻孔抽采瓦斯有着本质区别。

本煤层瓦斯抽采过程中，瓦斯通过煤层孔段涌入钻孔；而高位岩层钻孔进行瓦斯抽采时，瓦斯只从靠近孔底孔段由于开采扰动产生的裂隙通道供给。

因此，定向高位钻孔可被看作是一条瓦斯抽采管道。

理论计算得知，在相同抽采负压和钻孔深度条件下，随着钻孔直径的增大，钻孔抽采能力也会大幅度提高。

以长度400m孔径分别为φ94mm和φ153mm的钻孔为例，抽采负压为15～25kPa条件下，孔径φ153mm的高位定向钻孔瓦斯抽采流量达到孔径φ94mm高位定向钻孔的3倍以上。

为了达到良好的瓦斯治理效果，应尽量地增大钻孔直径。

试验结合孔内钻具安全以及瓦斯抽采需要，试验首先采用煤矿井下随钻测量定向钻进施工先导孔，钻孔直径φ94mm；在更换常规钻具和扩孔钻头进行扩孔钻具，一次性将钻孔直径扩大至φ153mm。

三、现场应用及效果分析

1、高位定向钻孔施工技术

先导孔钻进装备由定向钻机、泥浆泵、通讯钻杆、测量探管、单弯螺杆钻具（弯角1.25°）、定向钻头、孔口监视器、通缆送水器等关键部分组成，钻进系统连接如图4所示。

图4随钻测量定向钻进系统链接示意图

高位定向钻孔φ94mm先导孔施工采用煤矿井下随钻测量定向钻进技术。

该技术最显著的特点就是钻孔轨迹可人为可控和精确测量。

现场操作人员可根据孔口监视器显示的钻孔轨迹状态信息，通过调整螺杆钻具弯头朝向，来实现钻孔轨迹定向控制；同时随钻测量系统记录了钻孔轨迹测量参数，可精确反映出钻孔轨迹的空间坐标。

定向钻进技术应用于顶板高位钻孔施工，具有以下优点：

①钻孔轨迹严格按照设计沿目标层位延伸，达到最佳的瓦斯抽采效果；②钻孔轨迹人为可控，有利于实现长距离抽采；③钻场可直接设在现有的回风巷道中，无需施工高位钻场。

扩孔钻进设备方面只需将定向钻具更换为常规外平钻杆和扩孔钻头，便可以进行顶板高位钻孔的扩孔施工，扩孔钻进钻具组合如图5所示。

扩孔钻进采用常规回转钻进工艺，具有钻进效率高、操作简便的优点。

图5扩孔钻进钻具组合

2、钻孔施工情况

2013年12月-2014年2月，分别在W1305工作面W13052巷9#、6#和3#横川先后进行了高位定向长钻孔的施工，共施工钻孔12个，钻孔编号从W13053巷向工作面内分别为1#、2#、3#和4#。

除6#横川钻场4#钻孔未达到设计深度外，其他钻孔均达到设计深度，最大孔深达到402m，总进尺4435m，钻孔孔径均扩大至153mm，钻孔主抽采孔段均位于设计的煤层以上24～30m范围内。

钻孔实钻平面轨迹如图6所示。

图6W1305工作面高位定向钻孔实钻平面轨迹

3、效果分析

（1）高位钻孔瓦斯抽采效果

为了对定向高位钻孔瓦斯抽采效果进行分析，试验对9#横川4个高位钻孔的瓦斯抽采流量进行采集和统计分析。

图7和图8分别为9#横川各高位钻孔瓦斯抽采流量随抽采时间和工作面推进进度的变化情况。

图7高位钻孔瓦斯流量随抽采时间变化曲线

图8高位钻孔瓦斯流量随工作面推进变化曲线

根据数据计算，9#横川平均单孔瓦斯抽采流量达到9.89m³/min，单孔最大抽采流量达到30m³/min以上，达到了非常良好的抽采效果。

如图8所示，高位钻孔瓦斯流量变化有以下规律：

①1#高位钻孔在工作面推进至80m时，抽采流量才有显示，并且随着工作面的推进持续稳定上升，直至工作面推进越过9#横川高位定向钻孔的有效抽采孔段（图9中阴影部分），仍保持15m³/min以上的流量；②4#高位钻孔在工作面推进至30m时，抽采流量就已有显示，并达到20m³/min以上，随着工作面的推进接近有效抽采孔段末端时，瓦斯流量迅速下降至5m³/min以下；③2#和3#高位定向钻孔流量变化规律介于1#和4#高位定向钻孔之间。

基于工作面采动理论，由于各钻孔处于同一层位，在W13053巷处的保护煤柱的支撑影响下，1#钻孔所在层位岩层受采动影响推迟，从而导致抽采效果推迟，也正是保护煤柱的支撑作用，1#钻孔才能长期处于稳定的裂隙带内，从而保证稳定的抽采效果；相反，4#钻孔距保护煤柱较远，受保护煤柱支撑影响小，导致了工作面开采初期的抽采效果迅速上升以及有效抽采孔段末端抽采效果的迅速衰减。

鉴于上述试验成果，应针对工作面高位定向钻孔轨迹在平面布孔结合剖面结构设计方面展开深入研究，以达到最佳的瓦斯抽采效果。

（2）工作面上隅角瓦斯浓度

试验还通过对W1305工作面开采期间，高位定向钻孔介入抽采前（工作面推进0～30m期间）与高位定向钻孔介入抽采后的工作面上隅角附近瓦斯浓度进行对比，来判断高位定向钻孔对工作面上隅角瓦斯的治理效果。

试验采集了W1305工作面风流、上隅角，W13052巷风流、巷口，W13054巷风流、巷口6组高位定向钻孔介入抽采前和介入抽采后的瓦斯浓度数据，如图9所示。

图9W1305工作面上隅角瓦斯浓度变化

分析易知，在高位定向钻孔介入瓦斯抽采前（30m以内）个回风巷各采集点的瓦斯浓度较高。

介入后（30100m），瓦斯浓度明显下降。

其中，W13054巷风流和巷口的下降比例最大，由0.65降为0.4，效果显著。

随着工作面的推进，主抽采孔段（30150m）各浓度基本保持不变。

随着主抽采孔段逐渐损失（150m以后），使得各采集点的瓦斯浓度有所升高。

直至260m左右，进入下一钻场的主抽采孔段瓦斯浓度采再次出现下降趋势。