煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工技術(shù)

現(xiàn)階段，鉆孔抽采（放）瓦斯是礦區(qū)治理瓦斯災(zāi)害的主要措施，我國(guó)每年用于瓦斯治理的鉆孔工程總量已超過(guò) l 億 5000萬(wàn)米，在礦區(qū)安全生產(chǎn)中發(fā)揮出了重要作用。從鉆孔層位、抽采（放）目的等方面看，瓦斯抽采鉆孔的主要類型包括沿煤層鉆孔、頂板高位鉆孔以及穿層鉆孔。不同類型的鉆孔可使用不同的鉆機(jī)型號(hào)、成孔工藝和施工技術(shù)。本文針對(duì)煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的布孔方式及施工技術(shù)進(jìn)行探討分析，希望能夠有效推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展。

我國(guó)擁有非常豐富的煤層氣（瓦斯）資源，正是由于這個(gè)原因，經(jīng)常發(fā)生煤礦工人在井下執(zhí)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)遇到瓦斯事故，已經(jīng)構(gòu)成煤礦安全事故的主要原因之一。為了保證煤礦井下的作業(yè)安全，國(guó)務(wù)院辦公廳于 2006 年 6 月發(fā)布了《關(guān)于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見(jiàn)》。在意見(jiàn)中，再次指出了“必須堅(jiān)持先抽后采、治理與利用并舉”的作業(yè)方針。所說(shuō)的先抽后采，就是利用鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，使煤層中的瓦斯含量降低，最終達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。鑒于這項(xiàng)工作的重要性，有必要針對(duì)其布孔方式及施工技術(shù)進(jìn)行專項(xiàng)研究。以便于在實(shí)際施工的過(guò)程中，結(jié)合礦井的地質(zhì)條件、瓦斯含量、井下作業(yè)條件、設(shè)備能力等因素，對(duì)瓦斯抽采鉆孔的具體形式進(jìn)行合理選用，確保施工質(zhì)量符合要求。

1  高位瓦斯抽采（放）鉆孔施工技術(shù)
近些年來(lái)，隨著鉆探水平和設(shè)備能力的不斷提升，很多礦區(qū)都在嘗試使用頂板高位水平長(zhǎng)鉆孔的方式對(duì)鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采，卸壓抽采為這一做法提供了理論基礎(chǔ)。在具體施工中，主要是對(duì)上鄰近層賦存或者受采動(dòng)影響所涌出的瓦斯，還包括部分采伐區(qū)瓦斯地行抽采。
1.1  選擇鉆孔層位
高位瓦斯抽采鉆孔主要是根據(jù)煤層開(kāi)采后形成的豎三帶、橫三區(qū)及 O 型圈等規(guī)律，以及煤巖覆存條件來(lái)確定鉆孔層位的。頂板水平長(zhǎng)鉆孔主要負(fù)責(zé)抽采裂隙帶、上覆鄰近層以及部分采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，進(jìn)而減少采煤工作面的瓦斯涌出量。根據(jù)覆巖的移動(dòng)規(guī)律和瓦斯的流動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)致裂隙帶的中下部裂隙充分發(fā)育，成為鄰近層瓦斯和冒落區(qū)瓦斯的主要聚集區(qū)域。由于具有瓦斯含量高、濃度大的特點(diǎn)，成為抽采瓦斯的最佳層位，也是布置高位鉆孔的理想位置。通常情況下，這個(gè)位置要選在 3-5 倍采高的范圍之內(nèi)；另外，要想取得良好的抽放效果，就必須保證成孔以及鉆孔的完整性，在選擇鉆孔布置層位時(shí)，要對(duì)有效區(qū)域內(nèi)的巖層性質(zhì)和成孔性進(jìn)行全面分析，最好將鉆孔位置選在相對(duì)穩(wěn)定的巖層當(dāng)中。
1.2  確定鉆孔參數(shù)
要想取得良好的抽放效果和生產(chǎn)效率，建議使用大直徑長(zhǎng)鉆孔。但是，在確定鉆孔深度和直徑時(shí)，要對(duì)該區(qū)域的地層條件、抽放要求、施工技術(shù)與設(shè)備能力進(jìn)行全面考慮，確保鉆孔濃度和直徑的合理性。其中，地層條件是最為重要的參考依據(jù)，它在很大程度上決定了抽放要求和設(shè)備能力的最終確定。當(dāng)?shù)貙泳邆浯蛏羁椎臈l件時(shí)，可適當(dāng)?shù)奶岣叱椴梢蠹般@孔深度，甚至讓鉆孔覆蓋在整個(gè)工作面上。如果地層條件較差，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)鉆孔施工時(shí)，則要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保鉆孔深度的科學(xué)合理。鉆孔直徑的大小對(duì)瓦斯抽采的效果具有直接影響。從理論上講，針孔直徑越大時(shí)，瓦斯的滲透面積越大，抽放的效果就越好。但在實(shí)際施工的過(guò)程中，還要對(duì)瓦斯含量、抽放周期和施工成本等方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)因地制宜的原則選擇出最經(jīng)濟(jì)、最適合的有效的鉆孔直徑。
1.3  鉆孔布置形式
當(dāng)鉆孔參數(shù)確定之后，就需要根據(jù)工作面條件和抽采要求進(jìn)行鉆孔布置，這一環(huán)節(jié)是保證取得良好抽放效果的前提條件。以走向長(zhǎng) 1000m、寬 200m 的工作面為例，如果頂板巖石完整、成孔性好的話，則鉆孔深度可在 800-1000m 之間，其位置可在回采終止線前 10m 左右，從回風(fēng)巷道向頂板上順抽放巷，然后在工作面的中間位置再向回采面方向設(shè)置一組高位走向的長(zhǎng)鉆孔。另外，由到受到礦井通風(fēng)壓差的影響，靠近回風(fēng)一側(cè)的鉆孔抽放效果要明顯好于進(jìn)風(fēng)一側(cè)的投放效果。因此，在進(jìn)行鉆孔布置時(shí)應(yīng)盡量靠近回風(fēng)一側(cè)，并將鉆孔密度或直徑加大。這時(shí)，要沿著回風(fēng)巷道找到合適位置設(shè)置鉆窩，并使每個(gè)鉆窩內(nèi)的鉆孔向回采面方向呈扇形分布，并覆蓋靠近回風(fēng)一側(cè)作面的一半以上，確保鉆孔具有抽放量大和抽放時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。通常情況下，鉆孔間距為≥lm，在同一平面內(nèi)設(shè)置一些夾角，避免孔口密封和防止串孔。如果頂板巖石層含有膨脹或松軟泥巖的成分，在布置鉆孔時(shí)要盡量避開(kāi)該層，也不要設(shè)計(jì)得太深，可根據(jù)實(shí)際情況采用順槽斜鉆孔的方式進(jìn)行補(bǔ)充。目前，國(guó)內(nèi)已有多家煤礦企業(yè)采用大直徑高位長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，并已取得較好的應(yīng)用效果。例如陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)使用的 MK-6 型鉆機(jī)，施工時(shí)最大孔深到達(dá)到了 603.5m；七臺(tái)河煤業(yè)使用的 ZDYl0000S 型鉆機(jī)最大孔深可達(dá)到 685m，陜煤集團(tuán)也已超過(guò)了 520m。
2  本煤層瓦斯抽采（放）鉆孔施工技術(shù)
從煤礦井下瓦斯治理和利用的角度來(lái)看，需要在煤層中進(jìn)行一些鉆孔，用于抽采或釋放瓦斯，確保井下生產(chǎn)安全。沿煤層鉆孔具有鉆孔進(jìn)尺少、抽采效果較好的特點(diǎn)，在施工條件允許的情況下，應(yīng)將沿煤層鉆孔做為預(yù)抽瓦斯施工的首選。鉆孔過(guò)程可根據(jù)目的的不同分為兩類：
2.1  為巷道掘時(shí)服務(wù)預(yù)抽瓦斯
為巷道掘進(jìn)服務(wù)的預(yù)抽瓦斯是沿煤層長(zhǎng)鉆孔和防突鉆孔，通常是在巷道兩側(cè)各布置 2 個(gè)間距約 5m 的長(zhǎng)鉆孔，該鉆孔與巷道的掘進(jìn)邊緣保持 10m 的距離。施工中，為確保鉆孔位置不偏離巷道掘進(jìn)方向，通過(guò)保直措施有保證鉆孔軌跡既不偏離巷道的掘進(jìn)方向，又不會(huì)侵入到掘進(jìn)范圍當(dāng)中。對(duì)于存在突出危險(xiǎn)的煤層來(lái)說(shuō)，為了確保作業(yè)面的安全，可以在掘進(jìn)工作面上施工深度較淺的地方進(jìn)行防突鉆孔，減少地層中的瓦斯含量和壓力，確保井下安全。防突鉆孔的深度一般都在 lO-30m 之間，鉆孔直徑小于 100mm，鉆孔間距和排距都要保持在 lm 左右。同時(shí)，為了確保煤壁內(nèi)瓦斯得到很好的釋放，掘進(jìn)頭四周的鉆孔需要按外插角的形式布置。對(duì)于瓦斯含量特別高的煤層來(lái)說(shuō)，有時(shí)也會(huì)在煤巷兩側(cè)排放孔，用于保證煤巷的正常掘進(jìn)。實(shí)踐證明，只要地層條件、設(shè)備條件允許，使用方法正確，該類鉆孔就可以收到非常好的防突效果，有利于提高巷道的掘進(jìn)速度。
2.2  為煤層回采服務(wù)的預(yù)抽瓦斯
為煤層回采服務(wù)的預(yù)抽瓦斯是沿煤層走向長(zhǎng)鉆孔和沿煤層傾向鉆孔。通常情況下，礦區(qū)需要根據(jù)瓦斯賦存量和涌出量、回采工作面長(zhǎng)度等因素決定本煤層預(yù)抽鉆孔的正確布置方式。目前，主要有沿采煤工作面走向布置長(zhǎng)鉆孔和沿工作面傾向布置沿煤層鉆孔兩種主要方式。其中，沿工作面走向長(zhǎng)鉆孔的鉆場(chǎng)一般都設(shè)置在回采終止線或尾巷附近，鉆孔深度視實(shí)際施工條件而定?，F(xiàn)有設(shè)備已具備 1000m 的鉆孔能力，因此，對(duì)于 1000m 以上的工作面來(lái)說(shuō)，如果煤層成孔條件較好的話，水平長(zhǎng)鉆孔的設(shè)計(jì)深度可達(dá)到 800-1000m，在每個(gè)工作面布置 4-5 個(gè)長(zhǎng)鉆孔的情況下，可將整個(gè)工作面覆蓋進(jìn)行瓦斯抽采或翻放。如陜西銅川的陳家山煤礦，其工作面長(zhǎng)度已超過(guò) l000m，沿煤層鉆孔深度達(dá) 800-1000m，鉆孔直徑 113m，采用 ZDYl0000S 型鉆機(jī)進(jìn)行施工，實(shí)際鉆孔深度為 865m。當(dāng)施工條件受到地層原因或設(shè)備能力限制時(shí)，可以將工作面劃分為幾個(gè)區(qū)段，然后在各個(gè)區(qū)段內(nèi)沿工作面走向布置鉆場(chǎng)和設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔深度可在 300-500m 之間。在這種分區(qū)段施工中，可考慮使用 ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L 等中深孔鉆機(jī)進(jìn)行操作。在沿工作面傾向布置沿煤層鉆孔時(shí)，有斜鉆孔、平行鉆孔和交叉鉆孔等布置方式。鉆孔深度一般在 80-150m 之間，終孔直在 94-130m 之間，鉆孔間距保持在 10-30m 之間。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆孔向回采面方向呈斜角布置的鉆孔瓦斯抽采效果較好，且搬遷方便，可優(yōu)先考慮使用。
3  穿層瓦斯抽采（放）鉆孔施工技術(shù)
穿層鉆孔是另一種治理煤礦瓦斯事故的有效方法。它按照用途和施工方法的不同可分為以下兩種：
3.1  在煤層底板施工工藝巷道中上仰鉆孔
通過(guò)在煤層底板施工工藝巷道中上仰鉆孔，穿過(guò)松散的危險(xiǎn)煤層抽采瓦斯，進(jìn)而達(dá)到降低瓦斯壓力的目的。這種方法適用于瓦斯?jié)舛容^高的松軟煤層，此類煤層不但施工難度大，還極有可能造成瓦斯和煤的突出，只能采用這種成本相對(duì)較高的瓦斯抽采方法。施工中，通常都是把瓦斯抽采工藝巷布置在掘進(jìn)煤巷的下方，距煤巷的最小距離不小于 15m。在工藝巷內(nèi)，每隔 30-50m 需設(shè)置一個(gè)專用鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)呈放射狀布置數(shù)量不等的鉆孔，這樣不僅可以對(duì)欲掘進(jìn)巷道部分煤層及其影響范圍內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采，還可以對(duì)欲回采煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，確保煤巷掘進(jìn)和煤層回采時(shí)的安全性。通常情況下，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔數(shù)量不少于 10 個(gè)，但具體數(shù)量還需根據(jù)鉆場(chǎng)間距、瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層透氣性、巷道面積和工作面寬的具體情況而定。這類鉆孔的深度一般不超過(guò) 100m，鉆孔直徑不超過(guò) 100m。但也有一些特殊情況，例如緩傾斜煤層時(shí)，最大鉆孔深度可達(dá) 150m；在斷層帶等瓦斯富集區(qū)，可在煤層地板施工一些較短的專用瓦斯巷，在瓦斯巷中施工數(shù)十個(gè)或上百個(gè)不同方向、不同角度的鉆孔，覆蓋該區(qū)域，用于煤層瓦斯的抽采和釋放。這類鉆孔，一般都是穿過(guò)煤層進(jìn)入頂板煤層孔段，鉆距盡量相近，確保良好的瓦斯抽及釋放效果，保證煤層回采的安全。由地這類情況下的鉆孔深度較小，使用能力較小的鉆機(jī)即可取得理想的施工效果。
3.2  在煤層回風(fēng)巷道中施工上仰鉆孔
這種方法是在煤層回風(fēng)巷道中，穿過(guò)煤層頂板及其鄰近不可采煤層，利用采動(dòng)影響對(duì)鄰近層及部分采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采，降低采煤工作面的瓦斯含量。這種方法適用于回采煤層頂板巖石較好、上鄰近層不可采但瓦斯含量高、壓力大等情況。所說(shuō)的上鄰近不可采煤層，有可能是一層，也可能是多層，它們的共同點(diǎn)是距離主煤層較近，煤層中的瓦斯由于受到采動(dòng)影響，極有可能沿裂隙帶和冒落帶大量涌入回采工作面，進(jìn)而引發(fā)瓦斯安全事故。如果讓鉆孔進(jìn)人頂板裂隙帶并施加負(fù)壓，對(duì)已經(jīng)進(jìn)入到裂隙帶中的瓦斯進(jìn)行抽采或釋放，就不會(huì)涌人工作面影響回采煤層的安全。這類鉆孔的軌跡不宜進(jìn)入冒落帶，否則會(huì)影響抽放瓦斯的效率。如果鉆孔的軌跡合理，當(dāng)工作面回采超過(guò)鉆孔位置后，依然可以在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)隙帶中的瓦斯進(jìn)行抽采，防止其涌入采空區(qū)，進(jìn)而威脅到回采工作面的安全。在回風(fēng)順槽或?qū)Ｓ孟锏乐惺┕r(shí)，相隔 30-50m 需布置一個(gè)專用鉆場(chǎng)，在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)呈放射狀布置 5-lO 個(gè)鉆孔。鉆孔深度要求在 100m 左右，最大鉆孔直徑可達(dá)到 200mn，鉆孔傾角控制在 35-450°之間。在選取角度時(shí)，既要保證鉆孔軌跡不進(jìn)入冒落帶，又要保證裂隙帶中有足夠的鉆孔長(zhǎng)度。還可以在鉆孔進(jìn)入裂隙帶后，采用降低鉆孔傾角的進(jìn)行定向鉆進(jìn)的方法，延長(zhǎng)裂隙帶中的鉆孔長(zhǎng)度，進(jìn)一化加強(qiáng)抽采效果。
4  未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
近些近來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)瓦斯抽采施工經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)與提煉，不論是在煤礦井下瓦斯抽采方法方面，還是在鉆孔設(shè)備和成孔工藝方面都取得了快速發(fā)展。目前，瓦斯抽采專用鉆孔設(shè)備已經(jīng)具備了上千米的鉆孔能力。但是，由于我國(guó)的煤礦地質(zhì)條件非常復(fù)雜，當(dāng)前的軟煤鉆進(jìn)水平與煤礦施工的實(shí)際需求相比，依然存在很大的差距。在今后的發(fā)展過(guò)程中，要著重致力于軟煤鉆進(jìn)的中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)和螺旋鉆桿鉆進(jìn)這兩項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。力爭(zhēng)做到在 0.3≤f≤O.5 的煤層中，鉆孔深度可達(dá)到 100m；在 0.5＜f≤1 的煤層中，鉆孔深度可將會(huì)達(dá)到 200m。在定向鉆進(jìn)方面，隨著螺桿鉆具的使用以及隨鉆測(cè)量定向儀的研制成功，當(dāng)條件允許時(shí)，無(wú)論是沿煤層鉆孔還是高位鉆孔，最大深度都會(huì)達(dá)到 80-1000m 以上，甚至?xí)^(guò) 1200m，還可以根據(jù)施工需要，實(shí)現(xiàn) 500m 以下或600-800m 之間的配套產(chǎn)品及工藝方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上的受控定向鉆進(jìn)。
5  結(jié)束語(yǔ)
近些年來(lái)，隨著瓦斯抽采技術(shù)的不斷提高，施工過(guò)程中的針對(duì)性越來(lái)越強(qiáng)，可結(jié)合煤層的特性、結(jié)構(gòu)、透氣性的不同而選用不同的抽采技術(shù)，確保在煤礦井下對(duì)瓦斯進(jìn)行有效抽放，保障采煤作業(yè)面的安全性，為煤礦行業(yè)的健康發(fā)展提供重要保障。