近距离煤层群定向钻孔关键参数技术研究

刘义孟

（山西省中阳荣欣焦化有限公司高家庄矿，山西 中阳 033400）

1 工作面概况

高家庄矿位于中阳县境内，属离柳矿区，矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井。2021 年测定矿井绝对瓦斯涌出量25.70 m³/min，相对瓦斯涌出量21.60 m³/t，回采工作面绝对瓦斯涌出量为4.66 m³ /min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量为5.43 m³/min。东翼轨道大巷工作面位于高家庄矿一期开采范围的东南角，西北部为2205 工作面，东部为未采动区域，西部为已施工完成的东翼轨道大巷，南部为未采动区域。工作面迎头所揭露煤层为山西组3 号煤层，沿3 号煤层掘进，巷道顶板距2 号煤层法距7.0～7.8 m。巷道底板距4 号煤层法距0～4.0 m，平均2.0 m。瓦斯基本参数见表1。

表1 矿井瓦斯基础参数表

2 定向钻孔负压分布规律分析

2.1 钻孔抽采负压损失

煤层进行瓦斯抽采时，抽采负压使煤体内的瓦斯不断涌入钻孔，与钻孔内的瓦斯混合后沿孔壁流出钻孔。这一过程中，钻孔内瓦斯流动时与孔壁发生摩擦会造成抽采负压产生沿程摩擦阻力损失。另外，由于钻孔倾角导致的钻孔内瓦斯势能的改变会造成势能损失。其中，沿程摩擦阻力损失为主要损失；混合损失量目前只有通过实验来近似得出，还没有通用表达式；当钻孔倾角为近水平时，可认为势能损失为零。因此，本文只考虑沿程摩擦阻力损失和加速度损失。

2.2 定向钻孔负压分布的影响因素分析

2.2.1 钻孔直径对孔内负压分布规律的影响

通过模拟软件，对不同钻孔直径98 mm、120 mm、140 mm、180 mm、200 mm 下3 号和4 号煤层钻孔内负压随钻孔深度的变化情况进行模拟分析，可以得出：对同一个抽采钻孔直径，随着钻孔深度的延伸，孔内抽采负压逐渐减小，且服从负指数关系（见表2）。

表2 3 号和4 号煤层孔内负压分布随钻孔直径变化情况表

（1）随着钻孔直径的增加，孔内负压损失逐渐减小，3 号和4 号煤层百米负压损失分别为0.04～1.20 kPa、0.012～0.645 kPa。

（2）钻孔直径越大，则孔底负压越大，同时孔口负压降低的速度也越慢。增大钻孔直径，意味着增大了瓦斯从煤层中流入钻孔的面积，在一定程度上增加了钻孔内的瓦斯纯量。因此适当增大钻孔直径对减小孔内负压损失并提高瓦斯抽采效率有促进作用。

根据以上分析，从提高瓦斯抽采效果的角度分析，钻孔直径应是越大越好，但同时要考虑到施工情况：高家庄煤矿3 煤和4 煤的煤层坚固性系数为0.3～0.5，比较松软，在定向钻孔施工过程中存在塌孔情况，影响钻孔的成孔，且孔径越大成孔越差。在保证孔底负压不低于13 kPa 的情况下，考虑98 mm 钻孔负压损失6.45 kPa，孔口负压不低于20 kPa 可满足抽采要求，而荣欣公司高负压系统抽采负压可以达到40 kPa 以上，所以为兼顾成孔效果孔径为98 mm 可满足抽采要求。

2.2.2 钻孔长度对孔内负压分布规律的影响

模拟得到不同钻孔长度下3 号和4 号煤层钻孔内负压随钻孔深度的变化情况，可以得出：在相同的抽采时间条件下，随着钻孔深度的延伸，孔内抽采负压逐渐减小，其关系见表3。

表3 3 号和4 号煤层孔内负压分布随钻孔长度变化情况表

（1）随着钻孔长度增加，孔内负压损失逐渐增大，减小幅度越来越大，3 号和4 号煤层百米负压损失分别为0.045～1.017 kPa、0.025～0.639 kPa。

（2）根据以上分析，结合高家庄煤矿薄、软煤层定向钻孔施工困难的情况，确定3 号和4 号煤层定向抽采钻孔合理施工长度为300～600 m。

2.3 定向钻孔参数设计

根据模拟分析的结果，东翼大巷3 号和4 号煤层瓦斯治理中定向钻孔直径选择为98 mm；定向钻孔合理的施工长度为300～600 m。

3 定向钻孔施工应用情况

3.1 3 号煤层定向钻孔

根据控制巷道方位和抽采半径等参数，3 号煤层共布置9 个钻孔，钻场钻孔布置图及设计数据如图1 和表4。

表4 东翼轨道大巷3 号煤层定向钻孔设计参数表

图1 东翼轨道大巷3 号煤层定向钻孔设计图（m）

3.2 4 号煤层定向钻孔

东翼轨道大巷迎头钻场共布置4 个钻孔，4 个钻孔全部布置在钻场迎头，4 个钻孔及其分支钻孔控制东翼轨道大巷下邻近层4 号煤层。钻场钻孔布置图及设计数据如图2 和表5。

图2 东翼轨道大巷4 号煤层定向钻孔设计图（m）

表5 东翼轨道大巷4 号煤层定向钻孔设计参数表

3.3 定向钻孔抽采效果分析

为了进一步分析定向钻孔瓦斯抽采效果，以下分析了抽采负压、抽采浓度、抽采纯量和日累计纯量随抽采时间的变化。

如图3、图4 所示，随着抽采负压的增大，抽采纯量和日累计纯量也随之增大，三者基本呈正比关系；且随着抽采时间的增加，孔壁瓦斯涌出量趋于稳定，抽采负压虽有所损失，较抽采前期大幅下降，但抽采纯量和日累计纯量总体逐渐增加，抽采效果稳定向好。通过现场应用证明，孔径98 mm 的钻孔是完全能满足定向长钻孔区域预抽的要求的，3 号和4 号煤层的抽采效果得到了一定的保障，但仍有待进一步提升。在下一步的瓦斯治理工作中，应做好单孔计量工作，这样有利于更好地分析孔口负压、孔长、孔径及抽采时间等参数对瓦斯抽采效果的影响。在X3 巷道掘进中，工作面迎头及回风流瓦斯浓度平均为0.06%～0.15%，抽采效果比较理想。

图3 东翼轨道大巷3 号煤层定向钻孔抽采数据图

图4 东翼轨道大巷4 号煤层定向钻孔抽采数据图

4 结论

（1）根据模拟和现场实际验证，确定在3 号和4 号煤层定向钻孔施工过程中，选择孔径98 mm能够满足矿井抽采要求，但在煤层条件较好时应扩大孔径；3 号和4 号煤层定向抽采钻孔合理施工长度为300～600 m。

（2）随着孔口负压的增加，孔内负压损失基本无太大变化；随着钻孔直径的增加，孔内负压损失逐渐减小；随着钻孔长度的增加，孔内负压损失逐渐增大，且减小幅度越来越大。在3 号和4 号煤层抽采过程中，应保证孔口负压不低于20 kPa。

（3）应用定向钻机施工定向长钻孔预抽本煤层和邻近层瓦斯，在工艺上可行，抽采效果理想，为下一步同类条件下瓦斯治理提供了借鉴经验。