煤礦井下瓦斯抽采（放）鑽孔施工技術

現階（jiē）段，鑽孔抽采（放）瓦斯是礦區治理瓦斯災（zāi）害的（de）主要措施，我（wǒ）國每年用於（yú）瓦斯（sī）治理的鑽孔工程（chéng）總量已超過 l 億 5000萬米，在礦區安全生產中發揮出了重要作用。從鑽孔層位、抽采（放）目的（de）等方麵看，瓦斯抽采鑽（zuàn）孔的主要類型包括沿煤層鑽孔（kǒng）、頂板高位鑽孔以及穿層鑽孔。不同類型的（de）鑽孔可（kě）使用不同的鑽機型號、成孔工藝和施工技（jì）術。本文針對煤礦井下瓦斯抽采鑽孔（kǒng）的布孔方式及施工技術進行探討分析，希望能夠有效推動這項技術的快速發展。

我國擁有非常豐富的煤層氣（瓦斯）資源（yuán），正（zhèng）是由於這個原因，經常（cháng）發生煤礦（kuàng）工人在井下執行開采作業時遇到（dào）瓦斯事故，已經構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，國務院辦公廳於 2006 年 6 月發布了《關於加快煤層氣（煤礦瓦（wǎ）斯）抽采利用的若幹意見》。在意見中，再次指出了“必須（xū）堅持先抽（chōu）後采、治理與利用並舉”的作業方針。所（suǒ）說的（de）先抽後（hòu）采，就是利（lì）用鑽孔對瓦斯（sī）進行預抽，使煤層中的（de）瓦斯含量降低，最終達到安全生產的目的。鑒於這項工作的（de）重要性，有必要針對其布孔方式及施工技術進行專項（xiàng）研（yán）究。以便於在實際施工的過（guò）程中，結合礦井的地質（zhì）條件、瓦斯含量、井下作業條件、設備能力（lì）等因素，對瓦斯抽采鑽孔的具體（tǐ）形（xíng）式進行合理選用，確（què）保施工質量符合要求。

1  高位瓦斯抽采（放）鑽孔施工（gōng）技（jì）術
近些年來，隨著鑽探水平和設備能力的不斷（duàn）提升，很多礦區（qū）都在嚐試使用頂（dǐng）板（bǎn）高（gāo）位水平長（zhǎng）鑽孔的方式（shì）對鄰近（jìn）層瓦斯進（jìn）行抽采，卸壓抽采為（wéi）這一做法提（tí）供了理論基礎。在具體施工中，主（zhǔ）要（yào）是對上鄰近層賦存或者受采動影響所湧出的瓦斯，還（hái）包括部分（fèn）采（cǎi）伐區瓦斯地行抽采。
1.1  選擇（zé）鑽孔層位
高位瓦斯抽采鑽孔主要是根據煤層開采後形成的豎三帶、橫三區及 O 型圈（quān）等規律，以及煤岩覆存條件來確定鑽孔層位的。頂板水平長鑽孔主要（yào）負責抽采裂隙帶、上覆鄰近層以及部分采空區內的瓦斯，進而減少采煤工作麵的瓦斯湧出量。根據覆岩的移動規（guī）律和瓦（wǎ）斯的流動規律，導致裂隙帶的中（zhōng）下部裂隙充（chōng）分發育，成為鄰近（jìn）層瓦斯和冒落（luò）區瓦斯的主要聚（jù）集區域。由於具有瓦斯含量高（gāo）、濃度大的特點（diǎn），成為抽采瓦斯的最佳層位，也（yě）是布置高位鑽孔的理想位置。通常情況下，這個位置要選在 3-5 倍采高的範（fàn）圍之內；另外，要想取得良好的抽放效果，就必須保證成孔以及鑽孔的完整性，在選擇鑽孔布置層位（wèi）時，要對有效區域內的岩層性質（zhì）和成孔（kǒng）性進（jìn）行全麵分析，最好將（jiāng）鑽孔位置選在相（xiàng）對穩定的岩層當中。
1.2  確定鑽孔參數
要想取得良好的抽放效果和（hé）生產效（xiào）率，建議使用大直徑長鑽孔。但是，在確定鑽孔深度和（hé）直徑（jìng）時，要對該（gāi）區域的地層條件、抽放（fàng）要求、施工技術與設備能力進行全麵考慮，確保鑽孔濃度和（hé）直徑（jìng）的合理性。其中（zhōng），地層條件是最為重要的參考依據，它（tā）在很大程度上決定了抽放要求和設備能力的最終確定。當（dāng）地層具備打深（shēn）孔的條件時，可適當的提高抽采要求及鑽孔深度，甚至讓鑽孔覆蓋在整個工作麵上。如果地層條（tiáo）件（jiàn）較差，無法進行長鑽（zuàn）孔施工（gōng）時，則要（yào）根（gēn）據實際（jì）情況對各項參數進行調整，確保鑽孔深度的科學合理（lǐ）。鑽孔直（zhí）徑的大小對瓦斯抽采的效果具有直接影響。從理論上（shàng）講，針（zhēn）孔直徑越大時，瓦斯的滲透麵積越大，抽放的效果就（jiù）越好。但在實際施工的過程中，還要對瓦斯含量、抽放（fàng）周期和施工成本等方麵進行綜合考（kǎo）慮，根據因地（dì）製宜的原則選擇出最經濟（jì）、最適（shì）合（hé）的有效（xiào）的鑽孔（kǒng）直徑。
1.3  鑽孔布置形式
當鑽孔參數確定之後，就（jiù）需要根據工作麵條件和抽采要（yào）求進行鑽孔布置，這一環節是（shì）保證取得良好抽放（fàng）效果的前提條（tiáo）件。以走向長 1000m、寬 200m 的（de）工（gōng）作（zuò）麵為例，如果頂板（bǎn）岩石（shí）完整、成孔性好的話，則鑽孔深度（dù）可在 800-1000m 之間，其位置可在回采終止線前 10m 左右，從（cóng）回風巷道向（xiàng）頂板上順抽放巷，然後在工作麵的中間位置再向回采麵方向設置一（yī）組高位走向的長鑽孔（kǒng）。另外，由到受（shòu）到礦井通風壓差的影響，靠近回（huí）風一側（cè）的鑽孔抽放效果要（yào）明（míng）顯（xiǎn）好於進風一側的投放（fàng）效果。因此（cǐ），在進行鑽孔布置時應盡量靠近回風一（yī）側，並將鑽孔密度或直徑加大。這時，要（yào）沿著回風巷道（dào）找到合（hé）適位置設置鑽窩，並使每個鑽窩內的鑽孔向回采麵方向呈扇形分布，並覆蓋靠近回風一側作麵的一半以上，確保鑽孔具有抽放量大和抽放時間長的特點。通常情況（kuàng）下，鑽孔間距為≥lm，在同一平麵內設置一些（xiē）夾角，避免孔口（kǒu）密封（fēng）和防止串孔。如果頂板岩石層含（hán）有膨脹或鬆（sōng）軟泥岩的（de）成分（fèn），在布置鑽（zuàn）孔時要盡量避開該層，也不要設計得太深，可根據實際情況采用順槽（cáo）斜鑽孔的方式進行補充。目前，國內已有多家煤礦企業采用大直徑高位長鑽孔進行瓦（wǎ）斯抽放，並已取得較好（hǎo）的（de）應用效果（guǒ）。例如陽泉煤業集團使（shǐ）用的 MK-6 型鑽機，施工（gōng）時最大孔（kǒng）深（shēn）到達到了 603.5m；七台（tái）河煤業使用的 ZDYl0000S 型鑽機最大孔深可達到 685m，陝煤集團也已超（chāo）過了 520m。
2  本（běn）煤層瓦斯抽采（放）鑽孔施（shī）工技術
從煤礦（kuàng）井下瓦斯治（zhì）理和利用的角度來看（kàn），需要在煤層中進行一些鑽孔，用（yòng）於抽采或（huò）釋放瓦斯，確保井下生產安全。沿煤層鑽孔具（jù）有鑽孔進尺少、抽采效果（guǒ）較好的特點，在施工條件允許的情（qíng）況下，應將沿煤層鑽孔做（zuò）為（wéi）預抽瓦斯施工（gōng）的首選。鑽孔過程可根據目的的不同分為（wéi）兩類：
2.1  為巷道掘時服務預抽瓦斯
為巷道掘進服務的預抽（chōu）瓦斯是沿煤層長鑽孔和防突鑽孔，通常是在巷（xiàng）道兩側各布置 2 個間距約（yuē） 5m 的長鑽孔，該鑽（zuàn）孔與巷道的掘進邊緣保（bǎo）持 10m 的距（jù）離。施（shī）工（gōng）中，為確保鑽孔位置（zhì）不偏離巷道掘進方向，通過保直措施有保證鑽孔軌跡既不偏離巷（xiàng）道（dào）的掘進方向，又不（bú）會侵入到掘進範圍當中。對於存在突出危險的（de）煤層（céng）來說，為了確保作業（yè）麵的安（ān）全，可以在掘進工作麵上施工深度較淺的地方進行防突鑽孔，減少地層中的瓦斯（sī）含（hán）量和壓力，確保井下安全。防突鑽孔的深度一般都（dōu）在 lO-30m 之間，鑽孔直徑小於 100mm，鑽孔間距和排距都要保持在 lm 左右。同時，為了確保煤壁內瓦斯得到很好的釋放，掘進頭四周（zhōu）的鑽孔（kǒng）需要按外插角（jiǎo）的形式布置。對於瓦斯含量特別高（gāo）的煤層來說（shuō），有時也會在（zài）煤巷兩側排放孔，用於保證煤巷的正常（cháng）掘進。實踐證明（míng），隻要地層條件、設備（bèi）條件允許，使用方法正確，該類（lèi）鑽孔就可以收到非常好的防突效果，有利於提高巷（xiàng）道的掘進（jìn）速（sù）度。
2.2  為煤層回采服務的（de）預抽瓦斯
為（wéi）煤層回采服務的預抽瓦斯是沿煤層走向長（zhǎng）鑽孔和沿煤層傾向鑽孔。通常情況下，礦區需（xū）要根據瓦斯賦存量（liàng）和（hé）湧出（chū）量、回采工作麵長度等因素（sù）決定本煤層預抽鑽孔的（de）正確布置方式。目前，主要（yào）有沿采煤工作麵走向布置長鑽孔和沿工作（zuò）麵（miàn）傾向（xiàng）布置沿煤層鑽孔兩種主要方式。其中，沿工作麵走向長鑽孔的鑽場一般都設置在回采（cǎi）終止線或尾巷附近，鑽孔（kǒng）深度視實際施工條件而定。現有設備已具備 1000m 的鑽孔（kǒng）能力，因此，對於 1000m 以上的工作麵來（lái）說，如果煤（méi）層成孔條件較好（hǎo）的話，水平長鑽孔（kǒng）的設（shè）計深度可達（dá）到 800-1000m，在每個工作麵布置 4-5 個長鑽孔的（de）情況下，可將整個（gè）工作（zuò）麵覆蓋進行瓦斯抽采或翻放。如陝西銅川的陳家山煤礦，其工作麵長度已超過 l000m，沿煤層鑽孔深度達 800-1000m，鑽孔直徑 113m，采用 ZDYl0000S 型鑽機進行施工，實際鑽孔深度為 865m。當施工（gōng）條件受到地層原因或設備能（néng）力限製時，可以將工作麵（miàn）劃分為幾個區段，然後在（zài）各個區段內沿工作麵走向布置鑽場和設計走向長鑽孔，鑽孔（kǒng）深度可在 300-500m 之間。在這種分區段施工中，可考慮使用 ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L 等中（zhōng）深孔鑽（zuàn）機進行操作。在沿工作麵傾向布置沿（yán）煤層鑽孔時，有（yǒu）斜鑽孔、平行鑽（zuàn）孔和交叉鑽孔（kǒng）等布（bù）置方（fāng）式。鑽孔深（shēn）度一般在 80-150m 之間，終孔直在 94-130m 之（zhī）間，鑽孔（kǒng）間距保持在 10-30m 之間。根據以往的施工經驗，發現鑽孔向回（huí）采麵方（fāng）向呈（chéng）斜角布置的鑽孔瓦斯抽采（cǎi）效果較好，且（qiě）搬遷方便，可（kě）優先考慮使用。
3  穿層瓦斯抽采（放（fàng））鑽孔（kǒng）施工技術（shù）
穿層鑽（zuàn）孔是另一種治理煤礦瓦斯事（shì）故的有效方法（fǎ）。它按照用途（tú）和施工方法的不同可分（fèn）為以下（xià）兩種：
3.1  在煤層底板施工工藝巷道中上仰鑽孔（kǒng）
通過在煤層底（dǐ）板施工（gōng）工藝巷道中上仰鑽孔，穿過鬆散的危險煤層抽采瓦斯，進而達到降（jiàng）低瓦斯壓力的目的（de）。這種方法適用於瓦斯濃度較高的鬆軟煤（méi）層，此（cǐ）類煤層不但施（shī）工難度大，還極有可能造成瓦斯和煤的突出，隻能采用這種成（chéng）本相對較高的瓦斯抽采方法。施（shī）工中，通常都是把（bǎ）瓦斯抽采工藝巷布置在掘進煤巷（xiàng）的下方，距煤巷的最小距離不小於 15m。在（zài）工藝巷內，每隔 30-50m 需設置一個（gè）專用鑽場，每個鑽場內呈放射狀布置數量不等的鑽（zuàn）孔，這樣不僅可以對欲掘進巷道部分煤層及其影響範（fàn）圍內的瓦斯進行抽采，還可以對欲回采煤層中的瓦斯進行抽采，確（què）保煤巷掘進和煤（méi）層回（huí）采時的安（ān）全性。通常（cháng）情況下，每個鑽場內的（de）鑽（zuàn）孔數量不少於 10 個，但具體數量還需根據鑽場間距、瓦斯含量（liàng）、瓦斯壓力、煤層透氣性、巷道麵積和工作麵寬的具體情況而定。這類鑽孔的深度一般不（bú）超過 100m，鑽孔直徑（jìng）不超（chāo）過 100m。但也有（yǒu）一（yī）些特殊情況，例如緩傾斜煤層時，最大（dà）鑽孔深度可達 150m；在斷層帶等瓦斯富集區，可在煤層地板（bǎn）施工一些較短的（de）專用瓦斯巷，在瓦斯巷中施工數（shù）十個或上百個不（bú）同方向、不（bú）同（tóng）角度的鑽孔，覆蓋（gài）該區（qū）域（yù），用於煤層瓦斯的抽采和釋放。這類鑽孔，一般（bān）都是穿過煤層進（jìn）入頂板煤層孔（kǒng）段，鑽距盡量相近，確保良好的瓦斯抽及釋放效果，保證煤（méi）層回采的安全（quán）。由地這類情況下的鑽（zuàn）孔深度較（jiào）小，使用能力較小的鑽機即可取得理想的施工效果。
3.2  在煤層回風（fēng）巷道中施工上仰鑽孔
這種方法（fǎ）是在煤層（céng）回（huí）風巷道中，穿過煤層頂板及其鄰近不可采煤層，利用采動影響對鄰近（jìn）層及部分采空（kōng）區進行瓦斯抽采（cǎi），降低采煤工作麵的（de）瓦斯含量。這種（zhǒng）方法適用於回采煤層頂板岩石較好、上鄰近層不可采但瓦斯含量（liàng）高、壓（yā）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，它們的共同點是距離主煤層較近，煤層中的瓦斯由於（yú）受到采動影響，極有可能（néng）沿裂隙（xì）帶和冒落帶大量湧入回采工作麵，進而引發瓦斯安全事故。如果（guǒ）讓鑽孔進人頂板裂隙帶並施加（jiā）負壓，對已經進入到裂隙帶中的瓦斯進行（háng）抽采（cǎi）或釋放，就不會湧人工作麵影響回采煤層的安全。這類鑽孔的軌跡不宜（yí）進入冒落帶（dài），否則會影響（xiǎng）抽放瓦斯（sī）的效率。如果（guǒ）鑽孔的軌跡合理，當工作麵回采超過鑽孔（kǒng）位置後，依然可以在一定時間內對隙帶中的瓦斯進行抽采，防止其湧入采空區，進（jìn）而威脅（xié）到回采工作麵的安（ān）全。在回風順槽或專用巷道中施工（gōng）時，相隔 30-50m 需布置一個專用鑽場，在每個鑽（zuàn）場內呈放射狀布置 5-lO 個鑽孔。鑽孔深度要求在 100m 左右，最大鑽孔直徑可（kě）達到 200mn，鑽孔傾角控製在 35-450°之間。在選取（qǔ）角度時，既要（yào）保證鑽孔軌跡不進入冒落帶，又要保證裂隙帶中有足夠的鑽孔長度。還（hái）可以在鑽孔進入裂隙帶後，采用降低鑽孔傾角的進行定（dìng）向鑽進的方法，延（yán）長裂隙帶中的鑽孔（kǒng）長度，進（jìn）一化加強抽采效果。
4  未來的發（fā）展趨勢
近些近來，隨著（zhe）我（wǒ）國對瓦斯抽（chōu）采施工經（jīng）驗的不斷總結與（yǔ）提（tí）煉（liàn），不論是在煤礦井下瓦斯抽采方法（fǎ）方麵，還是在鑽孔設備和成孔工藝方麵都取得了快速發展。目前，瓦斯抽采專用鑽孔設備已經具備了上千米的鑽孔能力。但是，由於我國的煤礦地質條件（jiàn）非常複雜，當前的軟煤鑽進水平與煤礦施工的實際需（xū）求相比，依然存在很大的差距。在今後（hòu）的發展過程中，要著重致力（lì）於軟煤鑽進的中風壓空氣鑽進和螺旋（xuán）鑽杆鑽進（jìn）這兩項技術的進（jìn）步。力爭做（zuò）到在 0.3≤f≤O.5 的煤層中，鑽孔深度可達到 100m；在 0.5＜f≤1 的煤層中，鑽孔深度（dù）可將會達到 200m。在定向鑽進方麵，隨著螺杆鑽具的使用以及隨鑽測量定向儀的研製成功，當條件允許時，無論是沿煤層鑽孔還是高位鑽（zuàn）孔（kǒng），最（zuì）大深度都（dōu）會達到 80-1000m 以上，甚至會超過 1200m，還可以根據施工（gōng）需要，實現 500m 以下或600-800m 之（zhī）間的配套產品及工（gōng）藝（yì）方法（fǎ），實現真正意義上的受控定向鑽進。
5  結束語（yǔ）
近些年來，隨著瓦斯抽（chōu）采技術的不斷提高，施工過程中的針對性越來越強，可結合煤層的特（tè）性、結（jié）構、透氣性的（de）不同而選用不同的抽采技術，確保在煤礦井下對瓦斯進行有效抽放，保（bǎo）障采（cǎi）煤作業麵的安全性，為煤礦行業的健康發展提供重要保障。