采面中部煤层以孔代巷消突技术研究与工程实践.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：王晨辉（1989），男，汉族，河南周口人，本科，助理工程师，研究方向为煤矿瓦斯治理及定向钻施工管理。-26-采面中部煤层以孔代巷消突技术研究与工程实践 王晨辉 张剑钊 郑州慧矿智能科技有限公司，河南 郑州 450016 摘要：摘要：针对煤与瓦斯突出矿井采面中部煤层瓦斯治理工效低、成本高、治理困难现状，在分析采面中部煤层以孔代巷消突技术原理与优势的基础上，概括了采面中部煤层以孔代巷消突技术钻孔设计及管理要求。在河南平宝煤业有限公司己 15-17-12110 工作面自切眼向外 5001000m 范围内，施工穿层定向钻孔并进行测斜，用于控制两底抽巷之间常规穿层钻孔覆盖不到的空白区域，避免新开底抽巷，完成该区域煤层消突工作。试验结果表明：与“低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔”消突技术相比，瓦斯治理费用可直接减少 837.2 万元，直接减少约 41.4%；瓦斯治理工期缩短 9.4 个月，有效缩短约 56.6%；穿层定向钻孔初始瓦斯抽采浓度均可达到 85%以上，最高达到98%；48h 后，瓦斯抽采浓度仍不低于 72%，最高达到 90%；30d 以后，瓦斯抽采浓度均高于 30%，瓦斯抽采效果良好，采面中部煤层以孔代巷消突技术能够满足采煤工作面消突工作中的瓦斯抽采要求。关键词：关键词：穿层定向钻孔；以孔代巷；瓦斯抽采；突出煤层；空白区 中图分类号：中图分类号：TD713 0 引言 目前，钻孔抽采矿井瓦斯技术仍是国内高瓦斯矿井进行矿井瓦斯防治工作的主要技术手段之一1-2。河南、安徽、陕西、山西等地的高瓦斯突出矿井大采长工作面一般采用“低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔”瓦斯防治技术并针对性选取水力割缝、水力冲孔等卸压增透技术完成煤巷条带瓦斯治理及高瓦斯突出煤层消突工作3-7。上述瓦斯治理技术手段钻机施工的钻孔钻进轨迹不可控、钻进距离短、钻孔抽采影响范围局限等缺点，从而导致大采长工作面采面中部煤层消突工作中抽采钻孔无法实现煤层全覆盖，采面煤层中部易留下瓦斯抽采空白区，滋生瓦斯事故发生风险8-11。鉴于此，以河南平宝煤业有限公司己15-17-12110工作面为研究背景，开展采面中部煤层以孔代巷消突技术研究，运用穿层定向长钻孔弥补常规穿层钻孔弊端，避免新开低位岩石抽采巷配合常规穿层钻孔完成采面中部煤层消突工作和突出煤层采面中部存在瓦斯抽采空白区，消除事故隐患。节约瓦斯治理费用、缩短瓦斯治理工期的同时完成高瓦斯突出煤层中部煤层消突工作，以期为河南平宝煤业有限公司大采长工作面中部煤层瓦斯治理开辟一条新途径。1 采面中部煤层以孔代巷消突技术分析 1.1 技术原理 采面中部煤层以孔代巷消突技术指的是针对大采长工作面在未施工底板低位岩石抽采巷情况下，常规钻孔难以或无法实现工作面范围内钻孔全覆盖，通过采用定向钻机完成相向穿层定向钻孔施工，并在煤层空间位置上形成重叠，实现工作面煤层抽采范围内钻孔全覆盖，以此用来代替“底板低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔”技术完成工作面消突工作，有效减少煤层采动卸压瓦斯释放，保证采面安全回采。图 1 采面中部煤层以孔代巷消突技术剖面示意图 1.2 技术优势（1）安全方面：以穿层定向钻孔代替底抽巷+常规穿层钻孔完成采面中部煤层瓦斯预抽，除能实现采面单元内瓦斯抽采达标，还可有效避免底抽巷在掘进过程中误揭突出煤层、断层而导致煤与瓦斯突出、瓦斯喷出等安全事故发生12。（2）资金方面：采面中部煤层以孔代巷消突技术可明显减少底抽巷及常规钻孔施工工程量、钻机磨损、中国科技期刊数据库 工业 A-27-钻机辅助装备耗损数量、钻孔封孔材料以及人力投入等，经济效益明显，吨煤瓦斯治理费用显著降低。（3）时间方面：穿层定向钻孔施工效率明显高于岩巷掘进效率，且无需再施工常规穿层钻孔，同时能够减少钻机搬家、节约钻机相应工效，瓦斯治理周期明显大幅度缩短。（4）管理方面：相对于底抽巷+常规穿层钻孔消突技术，此技术无需施工岩石巷道，可完全避免巷道掘进过程中的掘进、运输、以及巷道维护等繁琐管理工作，同时，钻孔煤孔段大幅度增加，钻孔施工数量减少，瓦斯抽采管路铺设、放水装置摆设等管理难度明显降低。（5）环保方面：采面中部煤层以孔代巷消突技术可有效避免因施工岩石巷道在地面堆矸引起的环境污染,环保优势显而易见。1.3 采面中部煤层以孔代巷消突技术钻孔设计及管理要求（1）采面中部煤层以孔代巷的穿层定向钻孔一般为工作面风巷、机巷底板岩石抽采巷为钻场、将钻孔主孔布置在煤层底板、沿工作面倾向布置的上向穿层定向钻孔，此类穿层定向钻孔主要覆盖常规钻孔不易控制、易留抽采盲区的工作面中部回采区煤层，相向施工的穿层定向钻孔钻孔间距依据实际考察的钻孔有效抽采半径确定，钻孔孔径一般96mm，在工作面中部搭接长度应不小于 10m13-15。（2）煤的坚固性系数 f0.5 实际情况，向工作面回采区中部施工的穿层定向钻孔建议采用螺杆钻具以“滑动定向+回转泄煤”复合钻进工艺实施，避免卡钻、掉钻事故的发生16。（3）针对主采煤层一般为较难抽采瓦斯的煤层。当煤层原始瓦斯含量为 W8m3/t 时，预抽工作面中部回采区的穿层定向钻孔应采取水力冲孔、水力造穴等强制增渗技术措施，增渗技术措施应参照国家相关操作规定严格执行；当煤层原始瓦斯含量为 6m3/tW8m3/t 时，预抽煤巷条带煤层瓦斯的定向钻孔宜直接进行抽采，若埋深超过 800m 的高应力区域仍宜采取水力冲孔、水力造穴等措施进行煤层卸压。（4）穿层定向钻孔施工成孔后应尽快完成封孔，与抽采工作面回采区煤层瓦斯的常规钻孔一起接入抽采系统进行抽采，详细记录钻孔成孔参数、成孔时间和接抽时间，并根据钻孔轨迹绘制钻孔竣工图。（5）开始抽采后，沿工作面走向方向至少每 200m为一个抽采单元按照抽采计量仪器，对瓦斯抽采流量、浓度、负压、温度等参数进行定期测定或监测，做好记录并存档。2 工作面概况 己15-17-12110 工作面煤层结构单一，厚度较为稳定，采面可采走向长 1 550m，采长 260 m，煤层厚度平均5.5 m，煤层倾角变化较大，一般在 313左右，平均 7己15-17煤层压力 0.552.0 MPa，平均 1.24 MPa，瓦斯含量 10.1718.80 m/t，属煤与瓦斯突出煤层。煤层综合柱状示意图如图 2 所示。-图 2 煤层综合柱状示意图 3 穿层定向钻孔施工及钻进轨迹测斜 3.1 方案设计及施工 为了确保工作面回采期间安全生产，首山一矿计划己15-17-12110 工作面自切眼向外 5001000m 范围内，在原有利用常规穿层钻孔进行区域瓦斯治理基础上继续施工穿层定向钻孔，用于控制两底抽巷之间常规穿层钻孔覆盖不到的空白区域，加强该区域瓦斯治理效果，进一步降低煤层瓦斯含量，己15-17-12110 工作面自切眼向外 5001000m 范围内穿层定向钻孔设计剖面示中国科技期刊数据库 工业 A-28-意图如图 2 所示。图 3 己15-17-12110 工作面钻孔设计剖面示意图 2020年5月10日11月10日期间，采用ZDY5400LD型煤矿用履带式全液压坑道定向钻机在首山一矿己15-17-12110 工作面自切眼以里 5001000m 范围内进行穿层定向钻孔施工，共计施工158个穿层定向钻孔，其中 12110 中抽巷和机抽巷各 79 个钻孔，累计钻孔总工程量为 13806m。3.2 穿层定向钻孔轨迹测斜 根据 防治煤与瓦斯突出细则 第四十七条规定，“深度超过 120m 的预抽瓦斯钻孔应当每 10 个钻孔至少测定 2 个钻孔的轨迹，深度 60120m 的应当每 10 个钻孔至少测定1个钻孔的轨迹”17。由于在己15-17-12110工作面机抽巷、中抽巷实际施工传穿层定向钻孔各 79个，长度均在 60120m 之间，因此在施工穿层定向钻孔煤孔段期间，采用 YHX7.4（A）矿用回转钻机测斜仪，在己15-17-12110 工作面机抽巷、中抽巷分别完成了 8个钻孔随钻测斜工作。Z-12#、Z-78#穿层定向钻孔钻进轨迹平、剖面测斜结果如图 4、5 所示。图 4 Z-12#钻孔钻进轨迹实测平、剖面图 图 5 Z-78#钻孔钻进轨迹实测平、剖面图 根据 Z-12#、Z-78#穿层定向钻孔钻进轨迹平、剖面实测图可以明显看出，穿层定向钻孔具有轨迹可控、钻孔有效孔段长、控制范围广等优点，可弥补工作面中部回采区煤层瓦斯预抽过程中常规钻孔不易控制、易存在抽采盲区的缺点。4 应用效果分析 4.1 抽采效果分析 为考察采面中部煤层以孔代巷消突技术穿层定向钻孔抽采效果，在所有穿层定向钻孔上加装煤气表监测瓦斯抽采浓度并结合矿方实际实测的瓦斯抽采浓度数据，最终取所有孔平均瓦斯抽采浓度进行统计、记录。穿层定向钻孔瓦斯抽采浓度数据统计情况如图 6、7 所示。图 6 机抽巷定向钻孔瓦斯抽采浓度柱状图 图 7 中抽巷定向钻孔瓦斯抽采浓度柱状图 中国科技期刊数据库 工业 A-29-表 2 经济效益对比分析表 技术类型 项目类型 巷道工程量/m 单价/(元m-1)钻孔工程量/m 单价/(元m-1)治理费用/万元 工期/月 采面中部煤层以孔代巷消突技术 穿层定向钻孔/13 806 860 1187.3 6.9 低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔消突技术 岩石巷道、常规穿层钻孔 1000 16 000 28300 150 2024.5 16.3 由图 6、图 7 可以明显看出，穿层定向钻孔初始瓦斯抽采浓度均可达到 85%以上，最高达到 98%；48h 后，瓦斯抽采浓度仍不低于 72%，最高达到 90%；30d 以后，瓦斯抽采浓度均高于 30%，瓦斯抽采效果良好，能够满足采煤工作面消突工作中的瓦斯抽采要求。4.2 经济效益对比分析 己15-17-12110 工作面里自切眼以里 5001000m 走向范围内，利用定向钻孔成功实现了代替低位岩石抽采巷完成了工作面消突工作，采面中部煤层以孔代巷消突技术和低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔消突技术经济效益对比分析如表 2 所示（巷道掘进装备台效按200m/月，定向钻孔施工装备台效按 2000 m/月，常规穿层钻孔装备台效按 2500 m/月计算）。由表 2 可以明显得知，采面中部煤层以孔代巷消突技术与低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔消突技术相比，瓦斯治理费用可直接减少 837.2 万元，直接减少约 41.4%；瓦斯治理工期缩短 9.4 个月，有效缩短约56.6%。由此认为，采面中部煤层以孔代巷消突技术可显著降低瓦斯治理费用、缩短瓦斯治理周期，亦为大采长工作面中部煤层消突工作开辟了一条崭新的瓦斯治理途径。5 结论（1）从安全、资金、时间、管理、环保 5 个方面阐明了采面中部煤层以孔代巷消突技术优势，指出了以孔代巷技术推广前景广阔，并对此技术钻孔设计及管理要求进行限定，以求穿层定向钻孔抽采效果最优化。（2）采面中部煤层以孔代巷消突技术可弥补工作面中部回采区煤层瓦斯预抽过程中常规钻孔不易控制、易存在抽采盲区的缺点。（3）穿层定向钻孔初始瓦斯抽采浓度均可达到 85%以上，最高达到 98%；48h 后，瓦斯抽采浓度仍不低于72%，最高达到 90%；30d 以后，瓦斯抽采浓度均高于30%，瓦斯抽采效果良好，采面中部煤层以孔代巷消突技术能够满足采煤工作面消突工作中的瓦斯抽采要求。（4）与低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔消突技术相比，采面中部煤层以孔代巷消突技术可大幅度降低瓦斯治理费用、缩短瓦斯治理周期，亦为大采长工作面消突工作开辟了一条崭新的瓦斯治理途径。参考文献 1杨庆军.井下局部和区域瓦斯抽采技术研究与应用D.煤炭科学研究总院,2017.2 孙 炳 兴.高 瓦 斯 矿 井 采 煤 工 作 面 采 前 瓦 斯 抽 采 达 标 评 判 执 行 问 题 探 讨 J.矿 业 安 全 与 环保,2021,48(04):109-112.3吕高磊,王志敏.松软煤层穿层定向长钻孔钻进工艺研究J.煤炭工程,2021,53(08):65-69.4陶云奇,张帆,吴金刚,等.以孔代巷区域瓦斯抽采技术体系应用J.煤矿安全,2020,51(12):175-178.5李泉新,许超,刘建林,等.煤矿井下全域化瓦斯抽采定向钻进关键技术与工程实践 J.煤炭学报,2022,47(08):3108-3116.6 刘 东,辛 新 平,马 耕.定 向 多 分 支 长 钻 孔 治 理 瓦 斯 技 术 体 系 研 究 及 应 用 J.矿 业 安 全 与 环保,2021,48(05):108-112.7李泉新,方俊,褚志伟,等.青龙煤矿碎软煤层顺层定向钻孔钻进试验研究J.工矿自动化,2018,44(11):1-6.8陶云奇,路广奇,周正涛.煤与瓦斯突出煤层定向复合钻进技术研究J.煤炭工程,2021,53(11):53-56.9张杰.气动定向钻进技术在松软煤层条带瓦斯预抽中的应用J.煤田地质与勘探,2021,49(03):256-261.中国科技期刊数据库 工业 A-30-10李泉新,石智军,田宏亮,等.我国煤矿区钻探技术装备研究进展J.煤田地质与勘探,2019,47(02):1-6.11薛洪来,栗婧,邵晟洋,等.煤矿深孔定向钻进给进力参数优化研究J.煤矿安全,2017,48(02):156-159.12何玢洁,刘飞.定向钻孔预抽突出煤层煤巷条带瓦斯技术研究J.中国矿业,2022,31(01):121-125.13程志恒,陈亮,邹全乐,等.近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究以山西吕梁沙曲矿区为例J.煤炭科学技术,2021,49(02):122-137.14李路广,李向阳,魏路浩,等.千米定向钻机在大宁煤矿瓦斯抽采中的应用J.煤炭工程,2021,53(10):84-88.15徐玉胜,李春元,张勇,等.大采高采场瓦斯治理模型分析及通风系统优化研究 J.煤炭科学技术,2019,47(03):142-149.16田宏亮,陈建,张杰,等.淮南矿区软煤气动定向钻进技术与装备研究及应用 J.煤田地质与勘探,2022,50(10):151-158.17国家煤炭安全监察局.防治煤与瓦斯突出细则M.北京:煤炭工业出版社,2019.