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，我國每年用于瓦斯治理的鉆孔工程總量已超過 l 億 5000萬米，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》。在意見中，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，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確定鉆孔層位的。頂板水平長鉆孔主要負(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，無法進(jìn)行長鉆孔施工時(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 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，國內(nèi)已有多家煤礦企業(yè)采用大直徑高位長鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，并已取得較好的應(yīng)用效果。例如陽泉煤業(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)的煤層來說，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說，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，沿工作面走向長鉆孔的鉆場一般都設(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。現(xiàn)有設(shè)備已具備 1000m 的鉆孔能力，因此，對(duì)于 1000m 以上的工作面來說，如果煤層成孔條件較好的話，水平長鉆孔的設(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，其工作面長度已超過 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和設(shè)計(jì)走向長鉆孔，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
通過在煤層底板施工工藝巷道中上仰鉆孔，穿過松散的危險(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，每個(gè)鉆場內(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 100m，鉆孔直徑不超過 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，在每個(gè)鉆場內(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，延長裂隙帶中的鉆孔長度，進(jìn)一化加強(qiáng)抽采效果。
4  未來的發(fā)展趨勢
近些近來，隨著我國對(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量定向儀的研制成功，當(dāng)條件允許時(shí)，無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)^ 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
近些年來，隨著瓦斯抽采技術(shù)的不斷提高，施工過程中的針對(duì)性越來越強(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。