千米定向钻孔抽采裂隙带瓦斯的应用

杨德淼 亓立金

（1.枣庄矿业集团新安煤业赵家山分公司，山西 太原 030400；2.山东能源集团，山东 济南 250014）

赵家山煤矿在施工高位钻孔抽采邻近层瓦斯时，存在钻孔深入裂隙带的长度较短，随工作面回采，钻孔垂高变小，进入冒落带后，抽采效果减弱的问题。为提高钻孔抽采的有效区段，赵家山煤矿应用千米定向钻机施工长距离大孔径定向钻孔，将钻孔始终布置在裂隙带，持续抽采高浓度瓦斯。本文以赵家山煤矿2106 工作面千米定向钻孔抽采裂隙带瓦斯为例，进行应用效果分析[1-2]。

1 矿井瓦斯及抽采概况

赵家山煤矿为高瓦斯矿井，核定生产能力为1.20 Mt/a，采用斜井开拓方式，中央分列式通风方式，机械抽出式通风方法。2021 年测定矿井最大绝对瓦斯涌出量为49.31 m3/min，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为25.51 m3/min。

回风立井工业场建立地面瓦斯抽放泵站，高负压瓦斯抽采系统使用两台2BEC-80 型水环式真空泵，一台运行一台备用；低负压瓦斯抽采系统使用两台2BEC-62 型水环式真空泵，一台运行一台备用。综采工作面采用本煤层预抽钻孔、高位钻孔及采空区埋管抽采等方法进行瓦斯综合治理。

2 千米定向钻孔应用的必要性分析

随着回采工作面推进，采空区悬顶面积不断增大，在上覆岩体重力作用下，岩层结构发生弯曲、变形、垮落等变化。沿垂直方向从下而上，分为顶板冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。在采动影响下，周边煤岩体中的瓦斯不断渗透和扩散至裂隙带。

传统的高位钻孔深入裂隙带的长度较短，有效钻孔占比低，有效预抽期短，钻机搬家次数多，抽采管路布置工程量大，钻孔轨迹不可控。而千米定向钻机配备随钻测量装置，按设计轨迹施工长距离大孔径定向钻孔，将钻孔始终布置在裂隙带的有效抽采区域，可实现高效抽采瓦斯。

3 千米定向钻孔设计及施工

3.1 顶板“三带”理论计算

煤层裂隙带高度是千米定向钻孔设计的关键参数。裂隙带的高度与覆岩性质、煤层倾角、煤层厚度、采空区尺寸、采煤方法、顶板管理方法及地质构造等因素有关。2106 工作面采高平均为2.58 m，煤层顶板主要为砂质泥岩、细粒砂岩和泥岩，属于中硬顶板。冒落带和裂隙带高度可分别按以下公式计算：

式中：∑M为累计采厚，m；Hm为冒落带高度，m；Hli为裂隙带高度，m。

代入参数计算可得：2106 工作面Hm=（8.29±2.2）m，Hli=（33.39±5.6）m，即理论计算得2106 工作面冒落带高度为6.09～10.49 m，裂隙带高度为27.79～38.99 m。

综合“三带”理论结果，初步确定2106 工作面顶板以上6～10 m 为冒落带，顶板以上27～39 m为裂隙带，顶板以上39 m 以上为弯曲下沉带。2 号煤层顶板以上主要以砂质泥岩、细粒砂岩和泥岩为主，考虑到岩层成孔性、厚度，设计将定向钻孔布置在2 号煤层上方25～31 m 处，即砂质泥岩上方的细粒砂岩中，布孔高度约为9～12 倍采高。

3.2 2106 工作面千米定向钻孔施工设计

2106 工作面回风顺槽定向钻场布置5 个钻孔，编号D1～D5，钻孔单孔设计深度为300 m，钻孔工程量为1500 m。由于高位钻孔在钻场内进行集中施工，为了持续高效抽采裂隙带瓦斯，钻场内钻孔在空间上采用扇形布置，钻孔终孔水平投影间距10 m，内错回风顺槽的距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。终孔层位布置在距离2 号煤顶板25 m、25 m、28 m、28 m、31 m 内的细粒砂岩层位中。钻孔开孔高度为：D1、D2 号孔底板上2 m 位置，D3、D4、D5 孔底板上2.5 m 位置，开孔间距为1 m，均为正角度开孔，弯曲段每3 m 弯曲度为0.5°。钻孔开孔位置布设如图1，2106 工作面回风顺槽定向钻场布置参数见表1。

图1 钻孔开孔位置布设图（m）

表1 2106 工作面回风顺槽定向钻场布置参数表

钻孔为二开式孔身结构，其中Φ108 mm 孔径钻孔先开孔钻进15 m，然后扩孔至Φ153 mm 孔径，下Φ133 mm 套管15 m 并注浆封孔，再进行定向钻进。如图2。下一层套管，主要目的为稳定孔口地层，方便钻孔瓦斯抽采。具体孔身结构见表2。

图2 2106 工作面千米定向钻孔平面示意图（m）

表2 孔身结构参数

钻孔施工工艺流程图如图3。

图3 钻孔施工工艺流程图

3.3 千米定向钻孔施工完成情况

2106 工作面千米定向钻孔均已按设计完成施工。在施工D4 号钻孔约200 m 时，遇到塌孔、堵孔问题，为顺利完成钻孔施工，将钻具后退5 m 施工分支钻孔，重新钻进期间安排经验丰富的钻机工操作，放慢钻进速度，钻进期间水压突然变大或不稳定时暂停钻进，同时快速续接钻杆，避免长时间停钻导致再次塌孔。

全部钻孔轨迹符合设计要求，均位于裂隙带，平面、剖面轨迹图以D5 钻孔为例，如图4。

图4 D5 钻孔轨迹图

4 千米定向钻孔应用效果分析

为考察千米定向钻孔的瓦斯抽采效果，在工作面回采期间，观测定向钻孔抽采数据、回风流及上隅角瓦斯变化情况。工作面回采初期裂隙带内的裂隙通道尚未完全发育，瓦斯抽采浓度较小，随工作面不断回采推进，采空区悬顶面积不断增大，在上覆岩体重力作用下，岩层结构发生弯曲、变形、垮落等变化，采空区内瓦斯通道建立，千米定向钻孔抽采瓦斯浓度、流量逐渐上升，并最终在一定范围内稳定波动。抽采数据见表3。

表3 抽采数据表

效果分析：（1）千米定向钻孔抽采瓦斯浓度普遍在40%以上，均为裂隙带高浓度瓦斯；（2）单孔抽采流量平均1.6 m3/min，抽采流量与传统高位钻孔基本一致；（3）千米定向钻孔与传统高位钻孔同时抽采时，千米定向钻孔抽采纯瓦斯量3.99 m3/min，对比仅使用传统高位钻孔时，抽采纯瓦斯量增加2.6 m3/min，工作面抽采率由62.7%提高至72.9%；（4）千米定向钻孔发挥作用后，在工作面风量不变的情况下，回采期间回风流瓦斯浓度由0.52%下降至0.32%，降幅38.4%，回风隅角瓦斯浓度由0.54%下降至0.36%，降幅33.3%，极大缓解了生产期间安全压力。

5 结语

（1）应用千米定向钻机在工作面回风顺槽施工长距离大孔径定向钻孔，可使钻孔一直处于裂隙带的有效抽采区域，且钻孔轨迹可视，过程可溯。

（2）千米定向钻孔施工较于普钻，容易出现卡钻、塌孔、堵孔，处理不当，易造成丢钻风险，必要时需进行设备打捞，对操作技术要求高，需专业人员施工。

（3）随工作面回采，裂隙带发育，抽采稳定后可有效提高工作面瓦斯抽采率，较大幅度降低回风流、回风隅角瓦斯浓度。

（4）千米定向钻孔可增加施工数量，增加分支钻孔施工，优化施工参数，逐步减少传统高位钻孔施工量。