近距離煤層群定向鉆孔關鍵參數技術研究

劉義孟

（山西省中陽榮欣焦化有限公司高家莊礦，山西 中陽 033400）

1 工作面概況

高家莊礦位于中陽縣境內，屬離柳礦區，礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。2021 年測定礦井絕對瓦斯涌出量25.70 m3/min，相對瓦斯涌出量21.60 m3/t，回采工作面絕對瓦斯涌出量為4.66 m3 /min，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為5.43 m3/min。東翼軌道大巷工作面位于高家莊礦一期開采范圍的東南角，西北部為2205 工作面，東部為未采動區域，西部為已施工完成的東翼軌道大巷，南部為未采動區域。工作面迎頭所揭露煤層為山西組3 號煤層，沿3 號煤層掘進，巷道頂板距2 號煤層法距7.0～7.8 m。巷道底板距4 號煤層法距0～4.0 m，平均2.0 m。瓦斯基本參數見表1。

表1 礦井瓦斯基礎參數表

2 定向鉆孔負壓分布規律分析

2.1 鉆孔抽采負壓損失

煤層進行瓦斯抽采時，抽采負壓使煤體內的瓦斯不斷涌入鉆孔，與鉆孔內的瓦斯混合后沿孔壁流出鉆孔。這一過程中，鉆孔內瓦斯流動時與孔壁發生摩擦會造成抽采負壓產生沿程摩擦阻力損失。另外，由于鉆孔傾角導致的鉆孔內瓦斯勢能的改變會造成勢能損失。其中，沿程摩擦阻力損失為主要損失；混合損失量目前只有通過實驗來近似得出，還沒有通用表達式；當鉆孔傾角為近水平時，可認為勢能損失為零。因此，本文只考慮沿程摩擦阻力損失和加速度損失。

2.2 定向鉆孔負壓分布的影響因素分析

2.2.1 鉆孔直徑對孔內負壓分布規律的影響

通過模擬軟件，對不同鉆孔直徑98 mm、120 mm、140 mm、180 mm、200 mm 下3 號和4 號煤層鉆孔內負壓隨鉆孔深度的變化情況進行模擬分析，可以得出：對同一個抽采鉆孔直徑，隨著鉆孔深度的延伸，孔內抽采負壓逐漸減小，且服從負指數關系（見表2）。

表2 3 號和4 號煤層孔內負壓分布隨鉆孔直徑變化情況表

（1）隨著鉆孔直徑的增加，孔內負壓損失逐漸減小，3 號和4 號煤層百米負壓損失分別為0.04～1.20 kPa、0.012～0.645 kPa。

（2）鉆孔直徑越大，則孔底負壓越大，同時孔口負壓降低的速度也越慢。增大鉆孔直徑，意味著增大了瓦斯從煤層中流入鉆孔的面積，在一定程度上增加了鉆孔內的瓦斯純量。因此適當增大鉆孔直徑對減小孔內負壓損失并提高瓦斯抽采效率有促進作用。

根據以上分析，從提高瓦斯抽采效果的角度分析，鉆孔直徑應是越大越好，但同時要考慮到施工情況：高家莊煤礦3 煤和4 煤的煤層堅固性系數為0.3～0.5，比較松軟，在定向鉆孔施工過程中存在塌孔情況，影響鉆孔的成孔，且孔徑越大成孔越差。在保證孔底負壓不低于13 kPa 的情況下，考慮98 mm 鉆孔負壓損失6.45 kPa，孔口負壓不低于20 kPa 可滿足抽采要求，而榮欣公司高負壓系統抽采負壓可以達到40 kPa 以上，所以為兼顧成孔效果孔徑為98 mm 可滿足抽采要求。

2.2.2 鉆孔長度對孔內負壓分布規律的影響

模擬得到不同鉆孔長度下3 號和4 號煤層鉆孔內負壓隨鉆孔深度的變化情況，可以得出：在相同的抽采時間條件下，隨著鉆孔深度的延伸，孔內抽采負壓逐漸減小，其關系見表3。

表3 3 號和4 號煤層孔內負壓分布隨鉆孔長度變化情況表

（1）隨著鉆孔長度增加，孔內負壓損失逐漸增大，減小幅度越來越大，3 號和4 號煤層百米負壓損失分別為0.045～1.017 kPa、0.025～0.639 kPa。

（2）根據以上分析，結合高家莊煤礦薄、軟煤層定向鉆孔施工困難的情況，確定3 號和4 號煤層定向抽采鉆孔合理施工長度為300～600 m。

2.3 定向鉆孔參數設計

根據模擬分析的結果，東翼大巷3 號和4 號煤層瓦斯治理中定向鉆孔直徑選擇為98 mm；定向鉆孔合理的施工長度為300～600 m。

3 定向鉆孔施工應用情況

3.1 3 號煤層定向鉆孔

根據控制巷道方位和抽采半徑等參數，3 號煤層共布置9 個鉆孔，鉆場鉆孔布置圖及設計數據如圖1 和表4。

表4 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔設計參數表

圖1 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔設計圖（m）

3.2 4 號煤層定向鉆孔

東翼軌道大巷迎頭鉆場共布置4 個鉆孔，4 個鉆孔全部布置在鉆場迎頭，4 個鉆孔及其分支鉆孔控制東翼軌道大巷下鄰近層4 號煤層。鉆場鉆孔布置圖及設計數據如圖2 和表5。

圖2 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔設計圖（m）

表5 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔設計參數表

3.3 定向鉆孔抽采效果分析

為了進一步分析定向鉆孔瓦斯抽采效果，以下分析了抽采負壓、抽采濃度、抽采純量和日累計純量隨抽采時間的變化。

如圖3、圖4 所示，隨著抽采負壓的增大，抽采純量和日累計純量也隨之增大，三者基本呈正比關系；且隨著抽采時間的增加，孔壁瓦斯涌出量趨于穩定，抽采負壓雖有所損失，較抽采前期大幅下降，但抽采純量和日累計純量總體逐漸增加，抽采效果穩定向好。通過現場應用證明，孔徑98 mm 的鉆孔是完全能滿足定向長鉆孔區域預抽的要求的，3 號和4 號煤層的抽采效果得到了一定的保障，但仍有待進一步提升。在下一步的瓦斯治理工作中，應做好單孔計量工作，這樣有利于更好地分析孔口負壓、孔長、孔徑及抽采時間等參數對瓦斯抽采效果的影響。在X3 巷道掘進中，工作面迎頭及回風流瓦斯濃度平均為0.06%～0.15%，抽采效果比較理想。

圖3 東翼軌道大巷3 號煤層定向鉆孔抽采數據圖

圖4 東翼軌道大巷4 號煤層定向鉆孔抽采數據圖

4 結論

（1）根據模擬和現場實際驗證，確定在3 號和4 號煤層定向鉆孔施工過程中，選擇孔徑98 mm能夠滿足礦井抽采要求，但在煤層條件較好時應擴大孔徑；3 號和4 號煤層定向抽采鉆孔合理施工長度為300～600 m。

（2）隨著孔口負壓的增加，孔內負壓損失基本無太大變化；隨著鉆孔直徑的增加，孔內負壓損失逐漸減??；隨著鉆孔長度的增加，孔內負壓損失逐漸增大，且減小幅度越來越大。在3 號和4 號煤層抽采過程中，應保證孔口負壓不低于20 kPa。

（3）應用定向鉆機施工定向長鉆孔預抽本煤層和鄰近層瓦斯，在工藝上可行，抽采效果理想，為下一步同類條件下瓦斯治理提供了借鑒經驗。