煤矿井下瓦斯抽采（放）钻孔施工技术

现阶段，钻孔抽采（放）瓦斯是矿区治理瓦斯灾害的主要措施，我国每年用于瓦斯治理的钻孔工程总量已超过 l 亿 5000万米，在矿区安全生产中发挥出了重要作用。从钻孔层位、抽采（放）目的等方面看，瓦斯抽采钻孔的主要类型包括沿煤层钻孔、顶板高位钻孔以及穿层钻孔。不同类型的钻孔可使用不同的钻机型号、成孔工艺和施工技术。本文针对煤矿井下瓦斯抽采钻孔的布孔方式及施工技术进行探讨分析，希望能够有效推动这项技术的快速发展。

我国拥有非常丰富的煤层气（瓦斯）资源，正是由于这个原因，经常发生煤矿工人在井下执行开采作业时遇到瓦斯事故，已经构成煤矿安全事故的主要原因之一。为了保证煤矿井下的作业安全，国务院办公厅于 2006 年 6 月发布了《关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》。在意见中，再次指出了“必须坚持先抽后采、治理与利用并举”的作业方针。所说的先抽后采，就是利用钻孔对瓦斯进行预抽，使煤层中的瓦斯含量降低，最终达到安全生产的目的。鉴于这项工作的重要性，有必要针对其布孔方式及施工技术进行专项研究。以便于在实际施工的过程中，结合矿井的地质条件、瓦斯含量、井下作业条件、设备能力等因素，对瓦斯抽采钻孔的具体形式进行合理选用，确保施工质量符合要求。

1  高位瓦斯抽采（放）钻孔施工技术
近些年来，随着钻探水平和设备能力的不断提升，很多矿区都在尝试使用顶板高位水平长钻孔的方式对邻近层瓦斯进行抽采，卸压抽采为这一做法提供了理论基础。在具体施工中，主要是对上邻近层赋存或者受采动影响所涌出的瓦斯，还包括部分采伐区瓦斯地行抽采。
1.1  选择钻孔层位
高位瓦斯抽采钻孔主要是根据煤层开采后形成的竖三带、横三区及 O 型圈等规律，以及煤岩覆存条件来确定钻孔层位的。顶板水平长钻孔主要负责抽采裂隙带、上覆邻近层以及部分采空区内的瓦斯，进而减少采煤工作面的瓦斯涌出量。根据覆岩的移动规律和瓦斯的流动规律，导致裂隙带的中下部裂隙充分发育，成为邻近层瓦斯和冒落区瓦斯的主要聚集区域。由于具有瓦斯含量高、浓度大的特点，成为抽采瓦斯的最佳层位，也是布置高位钻孔的理想位置。通常情况下，这个位置要选在 3-5 倍采高的范围之内；另外，要想取得良好的抽放效果，就必须保证成孔以及钻孔的完整性，在选择钻孔布置层位时，要对有效区域内的岩层性质和成孔性进行全面分析，最好将钻孔位置选在相对稳定的岩层当中。
1.2  确定钻孔参数
要想取得良好的抽放效果和生产效率，建议使用大直径长钻孔。但是，在确定钻孔深度和直径时，要对该区域的地层条件、抽放要求、施工技术与设备能力进行全面考虑，确保钻孔浓度和直径的合理性。其中，地层条件是最为重要的参考依据，它在很大程度上决定了抽放要求和设备能力的最终确定。当地层具备打深孔的条件时，可适当的提高抽采要求及钻孔深度，甚至让钻孔覆盖在整个工作面上。如果地层条件较差，无法进行长钻孔施工时，则要根据实际情况对各项参数进行调整，确保钻孔深度的科学合理。钻孔直径的大小对瓦斯抽采的效果具有直接影响。从理论上讲，针孔直径越大时，瓦斯的渗透面积越大，抽放的效果就越好。但在实际施工的过程中，还要对瓦斯含量、抽放周期和施工成本等方面进行综合考虑，根据因地制宜的原则选择出最经济、最适合的有效的钻孔直径。
1.3  钻孔布置形式
当钻孔参数确定之后，就需要根据工作面条件和抽采要求进行钻孔布置，这一环节是保证取得良好抽放效果的前提条件。以走向长 1000m、宽 200m 的工作面为例，如果顶板岩石完整、成孔性好的话，则钻孔深度可在 800-1000m 之间，其位置可在回采终止线前 10m 左右，从回风巷道向顶板上顺抽放巷，然后在工作面的中间位置再向回采面方向设置一组高位走向的长钻孔。另外，由到受到矿井通风压差的影响，靠近回风一侧的钻孔抽放效果要明显好于进风一侧的投放效果。因此，在进行钻孔布置时应尽量靠近回风一侧，并将钻孔密度或直径加大。这时，要沿着回风巷道找到合适位置设置钻窝，并使每个钻窝内的钻孔向回采面方向呈扇形分布，并覆盖靠近回风一侧作面的一半以上，确保钻孔具有抽放量大和抽放时间长的特点。通常情况下，钻孔间距为≥lm，在同一平面内设置一些夹角，避免孔口密封和防止串孔。如果顶板岩石层含有膨胀或松软泥岩的成分，在布置钻孔时要尽量避开该层，也不要设计得太深，可根据实际情况采用顺槽斜钻孔的方式进行补充。目前，国内已有多家煤矿企业采用大直径高位长钻孔进行瓦斯抽放，并已取得较好的应用效果。例如阳泉煤业集团使用的 MK-6 型钻机，施工时最大孔深到达到了 603.5m；七台河煤业使用的 ZDYl0000S 型钻机最大孔深可达到 685m，陕煤集团也已超过了 520m。
2  本煤层瓦斯抽采（放）钻孔施工技术
从煤矿井下瓦斯治理和利用的角度来看，需要在煤层中进行一些钻孔，用于抽采或释放瓦斯，确保井下生产安全。沿煤层钻孔具有钻孔进尺少、抽采效果较好的特点，在施工条件允许的情况下，应将沿煤层钻孔做为预抽瓦斯施工的首选。钻孔过程可根据目的的不同分为两类：
2.1  为巷道掘时服务预抽瓦斯
为巷道掘进服务的预抽瓦斯是沿煤层长钻孔和防突钻孔，通常是在巷道两侧各布置 2 个间距约 5m 的长钻孔，该钻孔与巷道的掘进边缘保持 10m 的距离。施工中，为确保钻孔位置不偏离巷道掘进方向，通过保直措施有保证钻孔轨迹既不偏离巷道的掘进方向，又不会侵入到掘进范围当中。对于存在突出危险的煤层来说，为了确保作业面的安全，可以在掘进工作面上施工深度较浅的地方进行防突钻孔，减少地层中的瓦斯含量和压力，确保井下安全。防突钻孔的深度一般都在 lO-30m 之间，钻孔直径小于 100mm，钻孔间距和排距都要保持在 lm 左右。同时，为了确保煤壁内瓦斯得到很好的释放，掘进头四周的钻孔需要按外插角的形式布置。对于瓦斯含量特别高的煤层来说，有时也会在煤巷两侧排放孔，用于保证煤巷的正常掘进。实践证明，只要地层条件、设备条件允许，使用方法正确，该类钻孔就可以收到非常好的防突效果，有利于提高巷道的掘进速度。
2.2  为煤层回采服务的预抽瓦斯
为煤层回采服务的预抽瓦斯是沿煤层走向长钻孔和沿煤层倾向钻孔。通常情况下，矿区需要根据瓦斯赋存量和涌出量、回采工作面长度等因素决定本煤层预抽钻孔的正确布置方式。目前，主要有沿采煤工作面走向布置长钻孔和沿工作面倾向布置沿煤层钻孔两种主要方式。其中，沿工作面走向长钻孔的钻场一般都设置在回采终止线或尾巷附近，钻孔深度视实际施工条件而定。现有设备已具备 1000m 的钻孔能力，因此，对于 1000m 以上的工作面来说，如果煤层成孔条件较好的话，水平长钻孔的设计深度可达到 800-1000m，在每个工作面布置 4-5 个长钻孔的情况下，可将整个工作面覆盖进行瓦斯抽采或翻放。如陕西铜川的陈家山煤矿，其工作面长度已超过 l000m，沿煤层钻孔深度达 800-1000m，钻孔直径 113m，采用 ZDYl0000S 型钻机进行施工，实际钻孔深度为 865m。当施工条件受到地层原因或设备能力限制时，可以将工作面划分为几个区段，然后在各个区段内沿工作面走向布置钻场和设计走向长钻孔，钻孔深度可在 300-500m 之间。在这种分区段施工中，可考虑使用 ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L 等中深孔钻机进行操作。在沿工作面倾向布置沿煤层钻孔时，有斜钻孔、平行钻孔和交叉钻孔等布置方式。钻孔深度一般在 80-150m 之间，终孔直在 94-130m 之间，钻孔间距保持在 10-30m 之间。根据以往的施工经验，发现钻孔向回采面方向呈斜角布置的钻孔瓦斯抽采效果较好，且搬迁方便，可优先考虑使用。
3  穿层瓦斯抽采（放）钻孔施工技术
穿层钻孔是另一种治理煤矿瓦斯事故的有效方法。它按照用途和施工方法的不同可分为以下两种：
3.1  在煤层底板施工工艺巷道中上仰钻孔
通过在煤层底板施工工艺巷道中上仰钻孔，穿过松散的危险煤层抽采瓦斯，进而达到降低瓦斯压力的目的。这种方法适用于瓦斯浓度较高的松软煤层，此类煤层不但施工难度大，还极有可能造成瓦斯和煤的突出，只能采用这种成本相对较高的瓦斯抽采方法。施工中，通常都是把瓦斯抽采工艺巷布置在掘进煤巷的下方，距煤巷的最小距离不小于 15m。在工艺巷内，每隔 30-50m 需设置一个专用钻场，每个钻场内呈放射状布置数量不等的钻孔，这样不仅可以对欲掘进巷道部分煤层及其影响范围内的瓦斯进行抽采，还可以对欲回采煤层中的瓦斯进行抽采，确保煤巷掘进和煤层回采时的安全性。通常情况下，每个钻场内的钻孔数量不少于 10 个，但具体数量还需根据钻场间距、瓦斯含量、瓦斯压力、煤层透气性、巷道面积和工作面宽的具体情况而定。这类钻孔的深度一般不超过 100m，钻孔直径不超过 100m。但也有一些特殊情况，例如缓倾斜煤层时，最大钻孔深度可达 150m；在断层带等瓦斯富集区，可在煤层地板施工一些较短的专用瓦斯巷，在瓦斯巷中施工数十个或上百个不同方向、不同角度的钻孔，覆盖该区域，用于煤层瓦斯的抽采和释放。这类钻孔，一般都是穿过煤层进入顶板煤层孔段，钻距尽量相近，确保良好的瓦斯抽及释放效果，保证煤层回采的安全。由地这类情况下的钻孔深度较小，使用能力较小的钻机即可取得理想的施工效果。
3.2  在煤层回风巷道中施工上仰钻孔
这种方法是在煤层回风巷道中，穿过煤层顶板及其邻近不可采煤层，利用采动影响对邻近层及部分采空区进行瓦斯抽采，降低采煤工作面的瓦斯含量。这种方法适用于回采煤层顶板岩石较好、上邻近层不可采但瓦斯含量高、压力大等情况。所说的上邻近不可采煤层，有可能是一层，也可能是多层，它们的共同点是距离主煤层较近，煤层中的瓦斯由于受到采动影响，极有可能沿裂隙带和冒落带大量涌入回采工作面，进而引发瓦斯安全事故。如果让钻孔进人顶板裂隙带并施加负压，对已经进入到裂隙带中的瓦斯进行抽采或释放，就不会涌人工作面影响回采煤层的安全。这类钻孔的轨迹不宜进入冒落带，否则会影响抽放瓦斯的效率。如果钻孔的轨迹合理，当工作面回采超过钻孔位置后，依然可以在一定时间内对隙带中的瓦斯进行抽采，防止其涌入采空区，进而威胁到回采工作面的安全。在回风顺槽或专用巷道中施工时，相隔 30-50m 需布置一个专用钻场，在每个钻场内呈放射状布置 5-lO 个钻孔。钻孔深度要求在 100m 左右，最大钻孔直径可达到 200mn，钻孔倾角控制在 35-450°之间。在选取角度时，既要保证钻孔轨迹不进入冒落带，又要保证裂隙带中有足够的钻孔长度。还可以在钻孔进入裂隙带后，采用降低钻孔倾角的进行定向钻进的方法，延长裂隙带中的钻孔长度，进一化加强抽采效果。
4  未来的发展趋势
近些近来，随着我国对瓦斯抽采施工经验的不断总结与提炼，不论是在煤矿井下瓦斯抽采方法方面，还是在钻孔设备和成孔工艺方面都取得了快速发展。目前，瓦斯抽采专用钻孔设备已经具备了上千米的钻孔能力。但是，由于我国的煤矿地质条件非常复杂，当前的软煤钻进水平与煤矿施工的实际需求相比，依然存在很大的差距。在今后的发展过程中，要着重致力于软煤钻进的中风压空气钻进和螺旋钻杆钻进这两项技术的进步。力争做到在 0.3≤f≤O.5 的煤层中，钻孔深度可达到 100m；在 0.5＜f≤1 的煤层中，钻孔深度可将会达到 200m。在定向钻进方面，随着螺杆钻具的使用以及随钻测量定向仪的研制成功，当条件允许时，无论是沿煤层钻孔还是高位钻孔，最大深度都会达到 80-1000m 以上，甚至会超过 1200m，还可以根据施工需要，实现 500m 以下或600-800m 之间的配套产品及工艺方法，实现真正意义上的受控定向钻进。
5  结束语
近些年来，随着瓦斯抽采技术的不断提高，施工过程中的针对性越来越强，可结合煤层的特性、结构、透气性的不同而选用不同的抽采技术，确保在煤矿井下对瓦斯进行有效抽放，保障采煤作业面的安全性，为煤矿行业的健康发展提供重要保障。