高位定向长钻孔在工作面瓦斯治理中的应用

桃园煤矿井田位于安徽省宿州市南部北杨寨行政乡内，北距宿州市12km、淮北市约70km，南距蚌埠市75km。其北界为F1断层，南部以10勘探线为界与祁南矿毗邻，西界为10煤层露头线，东界至32煤-800m底板等高线的水平投影为界。井田南北走向长15km，东西倾向宽1.5～3.5km，井田面积32km2.桃园煤矿于1983年建设，1995年投产，设计生产为90万吨，矿井主要回采10煤、82煤及7煤。

　　桃园煤矿原设计为低瓦斯矿井，1988由煤科总院抚顺分院对该矿重新进行核定，改为高瓦斯矿井;2005年由煤科总院重庆分院进行了煤与瓦斯突出危险性鉴定，经安徽省经贸委批准桃园煤矿为煤与瓦斯突出矿井，82煤为突出煤层，2010年由中国矿业大学进行区域划分，-520m以浅区域为无突出危险区，-520m及-520m为突出危险区。

　　2   工作面概况及瓦斯参数

　　Ⅱ8221工作面是Ⅱ2采区首个82煤工作面，可采走向长645m，倾斜宽193m，煤层厚1.8～2.2m，平均2.0m。煤层顶板从下向上依次为砂岩（厚7.4m），粉砂岩（厚9.8m）、泥岩（厚4.0m）、72煤（厚0.6m）。

　　Ⅱ8221工作面设计回采标高为m，位于82煤层突出危险区，工作面回采前，下方10煤层保护层工作面已经回采结束，经过保护层效果考察，里段550m处于保护范围内，实测原始瓦斯压力0.42MPa，原始瓦斯含量4.46m3/t。

　　3   高位定向长钻孔施工工艺

　　3.1   高位定向长钻孔施工必要性

　　为解决工作面回采后采空区上隅角瓦斯问题，传统方式为间隔80m左右施工若干高位钻场和高位钻孔，孔深在80m～120m之间，该方式钻机搬运频繁、效率低，钻孔轨迹难以控制，有效孔段距离短，抽采效果不佳，过钻场期间往往导致瓦斯预警，安全得不到有效保障，高位定向长钻孔不仅深度大，且钻孔轨迹精确可控，可有效保障采空区瓦斯得到连续抽采，可实现工作面安全高效回采。

　　3.2   高位定向长钻孔层位选择

　　当回采工作面推进到使上覆岩层充分运动后，根据岩层运动（或破坏）发展程度，可将上覆岩层分为4带，即垮落带、裂隙贯穿带、离层裂缝带、弯曲下沉带。①垮落带，在老塘内已经垮落，在推进方向上不能始终保持传递水平力，包括直接顶和部分老顶的垮落，一般认为，垮落带高度为煤层采出厚度的3～5倍，是开采初期瓦斯聚集的主要空间，在工作面抽采瓦斯初期，将抽采钻孔钻进到此位置能抽出大量的瓦斯。②裂隙贯穿带，其贯通的裂隙是瓦斯的渗透通道，大量煤层中的泄压瓦斯都会有此空间涌出，将抽采钻孔钻进到此地带将能抽出大量的高浓度瓦斯。③离层裂缝带，   只在上部层面处开裂成缝，而不产生竖向裂隙，连续性较好，瓦斯由此空间运移较少。④弯曲下沉带，该区岩层在采场推进很长一段距离后才会运动，运动极为缓慢。当煤层开采后，周围岩层受采动影响自下而上发生位移，引起地应力的重新分布。煤层随工作面回采，在工作面周围将形成“竖三带”和“横三区”的采动压力场。高位定向长钻孔则主要抽放垂直方向上裂隙带内、水平方向上，包括重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区在内的大量瓦斯。布置在离层区和裂隙带的高位定向长钻孔随着采动影响，工作面煤壁受压产生拉伸破坏或剪切破坏，形成垂向裂隙，煤体中的原始瓦斯压力降低，吸附瓦斯解吸成为游离瓦斯，这部分瓦斯又通过煤壁裂隙和顶板裂隙流入抽放钻孔。

　　3.3   高位定向钻孔设计

　　根据上述综合分析，我矿82煤层顶板从下向上依次为砂岩（厚7.4m），粉砂岩（厚9.8m）、泥岩（厚4.0m）、72煤（厚0.6m），为兼顾抽采上方72煤卸压瓦斯，高位定向长钻孔设计在煤层顶板粉砂岩中，与风巷平距10m～50m，法距10m～15m范围内效果最佳。

　　Ⅱ8221   工作面高位定向长钻孔设计

　　3.3   高位定向长钻孔施工工艺

　　钻孔设备：钻孔施工选用煤炭科学研究总院西安分院研制的 ZDY-12000LD型全液压钻机，转速范围宽、扭矩大，额定转矩12000N.m，配备BLY460履带式泥浆泵站及 YHD3-1500泥浆脉冲随钻测量系统，钻进深度设计2000m，能够满足施工要求;抽放钻孔终孔Φ133mm;与其配套的Φ89mm肋骨钻杆 和Φ120mm定向钻头、Φ133mmPDC钻头。

　　施工工艺：①严格按设计施工，不得出现俯角孔段，防止钻孔积水影响抽采效果。②首次使用了复合钻进技术，即用高压水驱动孔底马达带动钻头旋转切削岩石的同时，通过钻机回转器带动钻杆旋转来增强钻孔的排渣能力，以此来增加钻孔成孔的光滑度，从而降低钻孔施工的摩擦阻力，保证钻孔成孔光滑。③定向钻进每加一根钻杆必须校正工具面，严格按设计或技术人员指定的工具面施工。④原则上每3米进行一次测量，异常情况或根据需要每1米测量一次，每施工4个测点上图分析一次，钻孔施工要记录好岩性，及时上图分析调整钻孔轨迹。⑤定向钻进期间严禁钻机反转，钻进过程中若出现堵孔、憋泵、喷孔或者给进压力明显增大等情况及时汇报，及时扩孔保证钻孔后路畅通，排渣顺畅。⑥钻杆每隔200m加一个返水逆止阀，有效控制了拆卸钻杆时的返水量，大大减少每次加钻杆时的送水时间，钻孔平均日进度超过90m/d。⑦通过钻孔的返渣粒度、返水颜色及钻机泵压判断层位，及时调整钻孔的方位、倾角，钻孔施工全过程视频监控，通过视频看井下随钻测量系统，实时掌握钻孔施工轨迹，确保钻孔在设计层位内施工。 　　4   效果分析

　　4.1   钻孔效果

　　①通过施工工艺创新和过程严密管控，刷新了淮北矿区定向高位钻孔单孔施工深度纪录，最长孔深达到956m。

　　②通过对筛管的加工工艺反复实验，结合下套管过程中遇到的问题，不断优化筛管的直径、连接丝扣处的加工工艺，最终通过下Φ73mm接头接直径Φ50mm筛管，解决套管丝扣强度低的问题，单孔下筛管深度最深达528m，确保了抽采效果。

　　4.2   经济效果

　　减少施工高位钻场7个，岩巷工程量70m，减少高位钻孔6700m，同时减少钻机、掘进队伍投入，有效降低了瓦斯治理成本。

　　4.3   抽采效果

　　工作面回采42m后定向长钻孔抽采效果开始逐步提升，正常回采期间定向钻孔抽采总浓度最大90%，平均40%，总抽采纯量9.6m3/min，平均5.8m3/min;实现了连续抽采，钻孔利用率高，杜绝了传统高位钻孔过钻场（钻孔）抽采不连续，经常出现过钻场（钻孔）期间瓦斯超限、预警问题，工作面回采期间，上隅角瓦斯浓度最大0.3%，回风流瓦斯浓度在0.2%以下，成功代替高位钻孔和拦截钻孔，为工作面安全、高效回采打下基础。

　　定向钻永久合茬抽采后，矿安排专人对钻孔单孔抽采效果进行观测、分析，单孔抽采浓度最大达到90%，抽采纯量4.1m3/min，通过对单孔的抽采效果、钻孔施工层位及工作面回采进度的关系进行分析情况看，3#、4#、5#孔抽采效果好于1#、2#钻孔，分析认为主要原因是1#、2#鉆孔距离风巷及上区段采空区较近，施工层位相对较低，围岩裂隙发育，抽采期间钻孔漏气造成抽采效果差，后期设计定向钻孔时应避开风巷及上区段采空区影响范围，确保钻孔抽采效果。