长距离千米定向钻孔煤与瓦斯共采机理与方案设计

何成亮 谢小平 杨锦 敖富贵 成雁飞 代利红

摘要：以典型的高瓦斯矿井为例，瓦斯事故的隐患极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间、空间和费用，同时机械化采掘设备很难发挥效用，同时该煤矿开采煤层属于高瓦斯近距离煤层群，煤层瓦斯含量丰富，采用传统的瓦斯抽采方法不仅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空气中污染大气，浪费资源。文章针对高瓦斯近距离煤层群的地质特点，采用顶板高位长距离大孔径定向钻孔抽采上邻近层和采空区瓦斯，长距离大孔径钻孔抽采本煤层瓦斯，底板长距离大孔径定向钻孔抽采下邻近瓦斯，高位、中位、低位瓦斯抽采技术相互配合，形成近距离煤层群千米定向钻孔煤与瓦斯共采技术体系。

关键词：长距离;千米定向钻孔;煤与瓦斯共采;方案设计

引言

煤层瓦斯，又称为煤层气[1～3]，赋存于煤层之中，近几年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，瓦斯危害越来越严重，频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约着矿井生产的发展。同时，瓦斯又是一种清洁、高效的能源，如果将瓦斯资源安全抽采并加以利用，则能实现能源供应、矿井安全生产和环境保护的统一。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯，一直以来都是广大的科研工作者努力的方向和目标。

煤层群首采工作面回采时，上下邻近层产生卸压作用，卸压瓦斯大量解析，利用定向长钻孔抽采邻近层和本煤层解析出的瓦斯，达到在开采煤层的同时抽采瓦斯资源，实现煤与瓦斯共采[4～8]。定向长钻孔[9～13]具有钻孔孔径大、长度长、瓦斯抽采浓度高、抽采瓦斯时间长的特点，能够有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，还可以超前回采强化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隐患、缩短预抽期，有利于缓和采掘接续紧张的矛盾，同时还在于实现了抽采瓦斯工艺技术的变革，即将传统的多点分散式打钻抽采变为集中布孔抽采，使抽采瓦斯的管理更为集中化、科学化，使定向长钻孔抽采瓦斯技术工艺在我国得到广泛推广应用，进一步缩短在抽采瓦斯技术工艺方面同发达国家的差距。

1工程概况

某矿井14301工作面为倾向长壁工作面，为南三采区第一个回采工作面，北面为杜峪村保护煤柱;南面为14302工作面，未开掘;东面为胶泥垄村保护煤柱，西面至南三采区大巷。工作面设计两进一回，为“刀把”型工作面，三条顺槽都与南三集中胶带巷垂直。轨道顺槽1502m（1302+200m），胶带顺槽长1468m，回风顺槽长1463m，工作面切眼宽220m（100m+120m），工作面可采长度为1445m，可采面积为0.298km2。地质储量（Qd）为102.2万t，可采储量（Qk）为94.3万t。根据本采区已采工作面瓦斯资料情况分析，预计正常情况下，14301掘进工作面绝对瓦斯涌出量为3～8m3/min之间，遇特殊地质条件、会发生瓦斯动力现象，瞬间瓦斯浓度会增大好几倍，给安全生产带来严重隐患，发生瓦斯动力现象一般在遇小型构造附近，煤层产状、煤层厚度变化大的地段，以及煤层受地质应力作用变软或煤层结构遭到破坏的地段。

2煤层群煤与瓦斯共采原理

该煤矿属于高瓦斯煤层群，瓦斯的含量高，实现煤炭资源安全高效开采必须全面消除煤与瓦斯突出危险性，并降低煤炭资源开采过程中的瓦斯涌出量，使回风流中的瓦斯浓度达到《煤矿安全规程》的要求，实现上述要求的技术途径之一是将煤层中的瓦斯抽采出来，从根本上减小煤层瓦斯含量。为抽采井下瓦斯，保证煤炭生产安全，并抽采煤层瓦斯资源，德国RBBH发明了DDR-1200定向钻机，这种钻机用于井下煤矿，在煤炭开采前，沿顺煤层顶板及底板岩层进行千米定向钻孔，对在开采过程中汇集在上邻近层与下邻近层的瓦斯进行抽采。本章根据该煤矿保护层开采后的岩层卸压情况，结合DDR-1200型钻机，研究大孔径千米定向钻孔煤与瓦斯共采技术。

在煤層群的开采中，由于首采煤层采动影响，邻近的煤岩层将产生卸压作用，邻近的煤岩层将产生变形、破坏，裂隙大量发育，将大幅度提高邻近煤岩体的透气性，形成瓦斯“解析-扩散-渗流”的过程，不同的区域内的煤岩体裂隙分布同，瓦斯的解析和渗流的条件不同，应根据条件选择合理的瓦斯抽采方法，实现瓦斯资源的安全高效开采。瓦斯资源的安全高效开采，减少了邻近煤层的瓦斯含量，消除了煤与瓦斯突出的危害，同时减少了工作面瓦斯涌出量，为邻近煤层的安全高效开采创造了有利条件。煤层群煤的开采和瓦斯的抽采相互形成有利条件，形成了煤与瓦斯共采的体系，如图2所示。

煤层群保护层回采时，瓦斯大量涌出，需要通过瓦斯抽采技术，抽采本煤层和邻近煤层的瓦斯。4号煤层回采后，3号煤层处于顶板裂隙带内，3号煤层的卸压瓦斯沿穿层裂隙涌入保护层的开采空间中，极易造成工作面瓦斯浓度超限，给保护层的开次带来了威胁，因此必须对3号煤层的瓦斯进行抽采，通过在裂隙带内布置钻孔控制上邻近层瓦斯涌入保护层。同时，保护层的下邻近层5号煤层处于4号煤层开采的底鼓变形区域内，大量的瓦斯通过工作面底板裂隙涌入回采工作面造成瓦斯浓度超限，底鼓变形带瓦斯抽采可以有效减少4号煤层的瓦斯涌出量，同时降低5号煤层的瓦斯含量，使高瓦斯突出煤层变为低瓦斯无突煤层，保证了5号煤层的安全高效开采。

通过以上分析，保护层开采时必须进行瓦斯抽采，其瓦斯的抽采一般包括上邻近层、采空区高位钻孔和下邻近层瓦斯抽采，瓦斯抽采原则如下：（1）上邻近层瓦斯抽采必须深入到邻近层卸压带内，但又要避开冒落带和大的裂隙带，一般选择裂隙带中部，并选择在离层裂隙的“O”形圈内以免抽放钻孔大量漏气，甚至被切断而使钻孔失效;（2）高位钻孔的终孔在垂直方向上位于回采工作面冒落带的上方，在保证钻孔成孔完好、不垮孔的前提下，尽量降低抽放钻孔的布孔层位，在垂直方向上应选择在裂隙带中下部区域，沿倾斜方向要选择在离层裂隙的“O”形圈内（在倾向方向上，“O”形圈两侧的宽度约为80m）;（3）下被保护层处在裂隙带范围内，下被保护层处在变形带范围内，可选择多种方法进行瓦斯抽采，依据为开采层对被保护层变形影响程度。

3工作面千米定向钻孔布置方案设计

3.1上邻近层钻孔布置设计

14301工作面布置4个上邻近层千米定向钻孔，垂直距离4号煤层22m左右，4个钻孔之间垂直距离保持在1～2m的间隔，在水平方向上，钻孔整体偏向尾巷布置，最外侧钻孔距工作面回风巷水平距离为15m，钻孔间距为40m。钻孔的基本孔径为170mm，最大孔径（扩孔孔径）为220mm，钻孔深度设计为1200m，实际进尺将受到钻进速度和钻机钻的性能影响出出现变动。上邻近层钻孔抽采布置如图3所示。

3.2下邻近层钻孔布置设计

14301工作面的下邻近层钻孔布置在4号与5号煤层之间，在垂直方向上距离4号煤层底板4～5m，在水平方向上，钻孔位于工作面的中部，钻孔间距为40m。钻孔的基本孔径为170mm，最大孔径（扩孔孔径）为220mm，鉆孔深度设计为1200m，实际进尺将受到钻进速度和钻机钻的性能影响出出现变动。上邻近层钻孔抽采布置如图4所示。

4结论

与传统的采空区抽放、邻近层抽放以及高抽巷抽放等综合抽放方式相比，沙曲煤矿顶底板走向千米钻孔抽采技术存在如下优势：（1）顶板走向千米钻孔抽采技术取代了采空区抽放、邻近层抽放及高抽巷抽放综合抽放方式，减少了高抽巷的掘进量，避免的掘进过程中的煤与瓦斯突出问题，并节约了抽放管路等材料费用;（2）千米抽采钻孔均布置在采空区高瓦斯聚集区域，其混和抽采量小，抽采浓度高，不但满足瓦斯利用的浓度要求，而且节约了抽采运行费用;（3）千米抽采钻孔的采空区布置形式，改变了采空区瓦斯渗流场，减小了采空区瓦斯涌出，有效解决了综采面上隅角瓦斯超限难题;（4）千米定向钻机布置在开拓大巷附近钻场内，可与采区巷道并行作业，缓解了高瓦斯突出矿井的采掘接替紧张的难题;（5）千米钻孔布置在长期稳定存在的“O”形圈裂隙区内，即使在综采面开采完毕后，亦可继续抽采，不但加强了对瓦斯清洁能源的利用，亦邻近层及邻近工作面开采过程中的瓦斯治理起到一定的作用。

参考文献

[1]霍丙杰，范张磊，路洋波，等.低透气性煤层顺层密集钻孔抽采及并管提压系统研究[J].矿业科学学报，2019，4（1）：35-40.

[2]贾明魁，李学臣，郭艳飞，李国栋.定向长钻孔超前预抽煤层瓦斯区域治理技术[J].煤矿安全，2018，49（12）：68-71.

[3]文虎，樊世星，卢平，等.煤层群上保护层开采保护效果现场考察[J].煤矿安全，2018，49（3）：155-159.

[4]闫卫红.定向顺层长钻孔瓦斯抽采效果分析[J].煤炭技术，2017，36（12）：164-165.

[5]刘佳，赵耀江，施恭东，刘红威.深孔定向钻进技术与装备在我国矿井瓦斯抽采中的应用[J].煤炭工程，2017，49（7）：106-110.

[6]肖东辉，苏军康，克里斯.弗睿尔.VLD-1000定向钻机在构造软煤层中的成功应用[J].煤炭技术，2015，34（6）：229-232.

[7]董红娟，张金山，李文哲，王 岩.顺层定向千米长钻孔抽采半径时变规律研究[J]. 煤矿安全，2017，48（3）：9-12.

[8]张利军，王志豪.远高位裂隙带长距离钻孔在高瓦斯矿井中的应用[J].煤炭工程，2015，47（5）：55-60.

[9]刘应科.远距离下保护层开采卸压特性及钻井抽采消突研究[J].煤炭学报，2012，37（6）：1067-1068.

[10]林海飞，李树刚，赵鹏翔.我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展[J]. 煤炭科学技术，2018，46（1）：28-35.

[11]李胜，毕慧杰，罗明坤，等.高瓦斯综采工作面顶板走向高抽巷布置研究[J]. 煤 炭 科 学 技 术，2017，45（7）：61-67.

[12]谢小平.薄煤层切顶卸压无煤柱沿空留巷技术研究[J]. 煤炭技术，2017，37（7）：36-38.

[13]孙国文，罗甲渊，罗斌玉.采动岩层渗透率与应力耦合关系数值模拟研究[J].煤矿安全，2018，49（1）：212-217.

作者简介

何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977009）。