定向高位孔合理抽采层位研究与分析

定向高位孔合理抽采层位研究与分析

王超

河南能源化工集团鹤煤九矿，河南鹤壁，458000  

摘要：高位钻孔瓦斯抽放是控制煤层上隅角及工作面瓦斯超限的一种主要方法，本文结合新安煤矿的实际情况，对影响矿井高位钻孔瓦斯开采的关键因素进行了分析，本文对高瓦斯抽采钻孔终孔合理层位进行了理论分析和计算，并进行现场抽采实验。研究得出：高位钻孔的合理层位，宜设于煤层顶部15~28.1 m，与风巷巷帮的间距为30.6~44.5 m。

关键词：高位钻孔；瓦斯抽采；终孔合理层位

新安煤矿属于煤层气突出矿井，其瓦斯涌出量和瓦斯压力随开采深度的增大而不断增大，煤层开采和上隅角经常发生瓦斯超标现象，对煤矿的安全生产造成了很大的影响。煤矿开采和上隅角的瓦斯超限主要采取了高瓦斯抽采钻孔，但在抽采过程中，往往会发生抽水浓度偏低，或者抽水周期短则会发生故障的问题。经分析认为，由于高位钻孔的布置不当，最终孔的位置未进入裂隙带，或进入裂隙带的有效长度较短。导致抽采迅速枯竭，抽采效率低下。因此，正确地确定了高位钻孔的最终孔眼位置，对于提高高位钻孔的抽采效率具有十分重要的作用。

1定向钻孔在高位瓦斯抽采中的具体应用

要提高高位定向钻孔抽放瓦斯的效率，必须对钻孔直径、钻孔效率和钻孔深度等进行调整和优化，并采用复合定向和旋转扩孔技术，以提高高位定向钻孔的瓦斯开采效率。在具体的应用中，应该从下列几个方面着手：

1.1成孔技术要点

在钻孔作业中，首先采用回转钻孔技术，完成钻孔和套管的施工。再选用组合定向钻孔法，施工先导钻孔，一般的，直径约为100毫米，最终采用旋转扩孔工艺，孔径增大，按需要扩展至约150 mm[1]。

1.2先导孔复合定向钻进技术要点

采用复合定向钻进技术，以滑移式定向钻进与复合钻进技术相结合的方式施工作业，在具体实现中，可以根据轨道的调整，确定相应的钻进方法，并选用与滑行方向钻进相匹配的钻具。在滑动定向钻进时，无需转动钻杆，螺杆沿定向方向施工。因此，在此工艺中，无法进行持续的手工控制钻孔轨迹。然而，技术人员可以利用随钻测量仪对整个钻孔轨迹的运行参数进行实时测量，这样，就能更好地掌握整个钻孔轨迹。

当技术人员选用组合定向法进行定向钻孔施工时，如果设计轨道与实际钻进轨道存在很大差异时，需要有针对性地调整钻孔的轨道。技师可调节螺杆马达至相应方向，并沿滑动方向进行定向钻进，确保钻井作业在人为控制范围内。如果在钻探时，设计轨道与实际钻进轨道的差异比较小，尤其是在倾斜的情况下，通常来说，技术人员无需调整钻孔的轨道[2]。选用复合钻进方法，利用钻头的弯曲规律来调节旋转速度和进压压力，确保导向孔按照预定的轨道伸展。

1.3大直径回转扩孔技术要点

选用大口径回转扩孔法，在提高抽采效率方面是十分显著的。在具体实施中，技术人员选用了在钻孔位置上的钻头进行旋转的方法。采用扩孔钻机在破裂地层中进行回旋转，使钻孔孔径逐渐增大，达到设计值。根据目前高位钻孔扩孔的现状，大体上可分为：120毫米和153毫米两种直径类型。在具体应用中，技术人员可以根据矿井瓦斯开采的需要和设备的实际情况来确定。

1.4筛管完孔技术要点

在定向钻孔施工结束后，采用筛管完孔技术是提高施工质量的重要措施，在具体实施过程中，技术人员在瓦斯抽采通道中下入气体抽采筛管，当钻孔结束后，技术人员将筛管放入孔中，如果发现孔壁有塌陷现象，再加上筛管，就能很好的保证瓦斯抽采通道的通畅，避免钻孔发生故障。在具体施工中，应根据顶板的实际条件，选用全孔下筛管或主管下筛管，既能确保施工质量，又能降低经济费用。

同时，技术人员还可以采取先下筛管的方法，分贴钻和不贴钻两种，在高位钻孔稳定条件下，可采取提钻下筛管；在提钻后容易发生崩塌的情况下，可以采取不提钻下筛的方法[3]。

2终孔合理层位确定

高位钻孔的最终孔位应该位于采空区上覆岩层的冒落拱上方，即中、下段，以便使卸压气能经裂缝处由高位钻孔进行抽采，从而达到减少瓦斯喷发的目的。因此，对采空区上覆岩体的冒落区和裂缝区进行精确的分析，是确定最佳抽采聚集区的第一要务。

2.1裂隙带高度理论计算

采场煤层平均煤层厚度为4.2 m，煤层顶底板岩性：直接顶以砂质泥岩为主，部分以泥岩为主，老顶为细－中粒砂岩，采用一次开采全高采煤方法，全塌陷法进行顶板管理，煤开采分层层数n=1。根据经验公式，初步计算出顶板最大垂高为13.0 m，而在采煤工作面上，最大垂高为13.0~46.3 m，亦即距煤层顶板8.8~42.1 m。

2.2裂隙带高度现场考察及终孔层位确定

通常，钻孔抽采的浓度和抽采混合量与封孔质量、孔内抽、排负压和孔的位置有关。在钻孔质量和孔口抽、负压相同的情况下，在钻孔终孔位置上，高位钻孔抽吸瓦斯的混合量（浓度）曲线形状基本呈抛物线型，由于高位钻孔附近的煤层尚未卸压，相邻煤层尚未卸压，因此在开始抽采时，抽气的混量和浓度都比较低；随著工作面的逐渐深入，高井眼周边煤层已完全卸载，抽采浓度和抽采量逐渐增加至最大值；随着高井逐步进入冒落区，抽吸空气和相邻层卸压瓦斯源的减小，在一段稳定的抽采后，出现了下降

[4]。所以，在抽采阶段，从始抽段、高抽水段、衰减段等几个方面，对裂缝区高进行分析，为优化钻进工艺提供参考。

2.2.1工作面高位钻孔设计

在风巷距离工作面100米处，在回采方向上，每6米设一孔，在风巷下帮煤墙与顶板相交的顶板上设置3个孔，并将孔的高度控制在已知的导水裂缝带以内。

2.2.2高位钻孔抽采效果现场考察

由于工作面向前推进，开采资料呈抛物线型分布，且呈先增加后降低的趋势，井口最终孔与采动裂缝区逐步连通，在抽采负压的影响下，大量的气体经钻孔排出；随着工作面的不断向前，工作面后面的裂缝越来越大，钻孔的有效垂高也随之减小，新的终孔进入了冒落区，造成了冒落区岩体破裂、崩孔、钻孔堵塞等问题。

根据上述抽采数据分析，1#钻孔在8月30号－9月9号期间、2#钻孔在9月17号－9月20号期间、3#钻孔在9月11号－9月25号期间，相应的瓦斯抽放浓度高于60%，并保持稳定。通过分析工作面进给进尺和钻孔的排列方向，确定了各井段在稳定抽采过程中的起始和终井参数。

从矿压基础理论上可以看出，由于工作面上的保护煤柱（或沿着空留巷）的支承应力，在采空区一侧，接近顺槽的覆岩崩落带和裂缝带都不在工作面中心地带。因此，随着方向巷帮与煤层倾角的增加，裂缝带的高度也随之增加；同一种情况一样，离工作面的上下顺槽冒落带越低，离工作面中央冒落区越高。

在3个钻孔中，当抽水浓度明显下降时，与煤层顶板相应的高度为12.9~15 m，距风巷上帮的相应平距为20.4~30.6 m；抽最大采密度时，与煤层顶板对应的高度为14.4~28.1 m，距风巷上部的平均间距为26.9~44.5 m。根据前文的经验公式，可以得出最大顶点是15 m的冒落区，结果表明，离煤层顶板15~28.1 m是较好的高钻孔垂直距离，即位于中、低段；回风巷上帮间距30.6~44.5 m是较好的水平定向钻孔。

3结论

本文通过对瓦斯抽采终孔的研究与分析，认为最好是在采空区上覆岩层冒落带的上端及裂缝中下段，从而使瓦斯能从裂缝中被高位钻出，从而达到减少瓦斯喷出的目的。一般采空区的回风面上的气体浓度高于进风面的气体浓度，所以在回风面进行高位钻孔时，最好是在回风侧进行提出了在矿井高位钻孔时，煤矿必须确保最终井眼与煤层的顶板相距15~28.1 m，与风巷巷帮的间距为30.6~44.5 m。

参考文献

[1] 王凯,姚学庆. 定向高位孔合理抽采层位研究与分析[J]. 山东煤炭科技,2022,40(1):97-99,105.

[2] 赵红星. 三元煤矿定向钻孔合理层位及抽采波动规律研究[J]. 能源技术与管理,2017,42(4):23-25.

[3] 贾晓亮. 老厂矿区高位定向长钻孔"以孔代巷"瓦斯抽采技术研究[J]. 矿业安全与环保,2021,48(5):103-107.

[4] 曹文超,龚选平,李红波,等. 综放工作面采空区高位定向钻孔抽采效果影响因素分析[J]. 煤炭工程,2020,52(5):87-91.