山西介休鑫峪沟德隆煤业有限公司 山西介休市 032099
摘要：近年来，我国的对煤矿资源的需求不断增加，煤矿开采越来越多。为了更好地解决煤矿井下采空区瓦斯超限问题，现利用高位定向长钻孔代替传统抽采方法对采空区上隅角瓦斯进行治理。本文可利用高位定向钻孔代替高顶钻孔抽采采空区瓦斯，为采空区瓦斯治理找到了一条新的路径。
关键词：高位钻孔；采空区；定向钻进；瓦斯治理
引言
在煤炭行业发展陷入低迷的时期，提高瓦斯治理效率，促进安全生产成为越来越重要的研究课题。随着定向钻进技术在国内的推广应用，利用高位定向长距离钻孔代替高位钻场顶板穿层钻孔治理采空区和上隅角的瓦斯，取得了明显的抽采效果。根据“O形圈”理论，对钻孔终孔高度进行合理布置，并对比分析了高位定向长距离钻孔和顶板普通高位钻孔的瓦斯浓度变化、不同终孔高度变化对高位长钻孔抽采效果的影响。对比分析高位定向长钻孔和顶板高位钻场穿层钻孔的瓦斯抽采效果，证明了前者的抽采效果更佳。
1开采煤层顶板抽采瓦斯理论
煤层、围岩均属于孔隙－裂隙结构体，煤层开采后受回采动应力影响，原始地应力平衡被破坏，透气性增大，裂隙得以进一步发育，在上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层间出现的岩层裂隙，导致空间突然增大，应力平衡被破坏，瓦斯大量释放，游离瓦斯大量聚集；另一类为纵向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，为相对低密度的瓦斯向上流通提供了通道，一般为煤层3～10倍采高范围。高位钻孔抽采瓦斯参数优化中，将采动区垂直方向由下向上依次划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带（“竖三带”），根据采空区“O”形圈及“关键层理论”，裂隙带为卸压瓦斯流动和储存的主要空间。常见治理手段是沿煤层顶板裂隙带布置走向钻孔对邻近层或回采后采空区瓦斯抽采，顶板高位钻孔可分为高位常规钻孔和高位定向钻孔两类。高位常规钻孔是指在回采煤层工作面回风巷道采用常规回转钻进向裂隙带施工钻孔，使之尽可能沿裂隙带延伸，工作面回采后可作为瓦斯抽采通道抽采采空区瓦斯。由于工艺简单、技术要求较低，在我国很多矿区应用，但是存在钻孔轨迹定位差、有效孔段距离短、工程量大、抽采不稳定等问题。
2高位定向长钻孔成孔技术
2.1复合定向钻进技术
复合定向钻进过程中钻机带动钻杆进行旋转和轴向滑动给进，同时螺杆马达转子带动钻头旋转碎岩。相对于滑动定向钻进，在复合定向钻进工况下，钻头转速高、碎岩动力强、钻进效率明显提高；同时，复合定向钻进时由于钻杆持续旋转，使钻孔内沉渣少、孔壁光滑，大幅降低了孔内钻具摩阻，钻孔弯曲强度较滑动定向钻进大幅度降低，有利于实现深孔钻进钻压的传递，显著提高钻孔深度。
2.2开分支技术
开分支技术是井下定向钻孔中最常用的一项成孔技术，当进行开分支时，钻孔轨迹保持在连续上升段，改变工具面角度使其开分支方向向下，同时增大孔底螺杆马达扭矩缓慢钻进，开成分支孔。当给压力仪表盘上压力增加、返出的水变浑浊，即可判断开分支成功。
2.3回转扩孔技术
该项技术是通过使用指定扩孔钻头与长钻孔连接，扩孔至孔底，通过回转扩孔能够使钻孔直径扩大，需要根据实际施工情况、钻头设备能力以及地质状况，合理选择扩孔方式，并且确保钻孔直径满足设计要求。
3高位定向长钻孔的应用
3.1钻孔层位优选
高位钻孔的设计参数主要为钻孔的布置层位，即钻孔的距离顶板的法向距离和距离风巷（回风巷）的倾向距离。法向距离即裂隙带高度将钻孔设置在煤层顶板以上裂隙带范围内，一般采用理论计算法、相似材料模拟法、数值模拟法和现场实测法等。
目前，对于采空区顶板纵向三带的发育高度尚缺乏系统精确的界定手段，主要根据经验公式来确定裂隙带高度：在实际应用中，参考附近的地质钻孔煤层柱状图或临近高位钻孔施工参数将定向高位钻孔布置在易钻进成孔、孔壁稳定性好的层位例如砂岩，尽量避开泥岩及易坍塌地层。根据采动裂隙的“O”形圈理论，高位钻孔在倾向方向上的有效控制范围与风巷的距离最大为40m。
3.2施工周期对比
使用普通钻机施工，每个钻孔需要2d，30个钻孔需要60d；使用千米定向钻机施工，每个钻孔需要10d，3个钻孔需要30d，效率提高一倍。
3.3避免了高顶钻场交替期间回风流中瓦斯浓度的变化甚至超限
在采用高顶钻孔治理采空区瓦斯措施时，在两个钻场交替期间常常由于前一个钻场失去作用而下一个钻场钻孔尚未与采空区沟通而失去作用、采空区瓦斯溢出到风流中，导致回风流瓦斯浓度大幅度上升、有时甚至发生瓦斯超限事故。利用定向钻孔治理采空区瓦斯后，由于不存在钻场之间的前后交替，也就避免了钻场交替时出现的瓦斯波动增大、超限情况，也大幅度提高了钻孔有效利用长度。
3.4高位钻孔水平位置分析
裂隙区和压实区嵌套中间的部位是理想抽采区域，该区域在水平上呈一定范围，该区域的适宜抽采程度与钻孔混合量呈正相关关系。将高位钻孔抽采混合量转换成等效负压和等效孔径数据之后进行对比发现，高位钻孔在15～35m范围内抽采混合量最大，是适宜抽采的水平区间。
3.5随钻测量装置
由随钻测量系统和仪器组成，其主要功能为随钻实时测量高位定向钻孔轨迹参数与孔底定向钻具空间姿态，并通过与设计参数对比，实时调整钻孔的实钻轨迹。以其工作过程为孔底随钻测量短节，将测量倾角、方位角、工具面向角等数据传送给孔口仪器，通过测量软件显示测量数据和钻孔轨迹，并计算与设计存在的偏差，用于调整钻孔轨迹。
结语
综上所述，高位大直径定向长钻孔采空区瓦斯治理技术可以大幅度提高瓦斯抽采效果，经济社会效益显著。高位定向长钻孔有效替代了高抽巷和普通高位钻孔，形成了以孔代巷的上隅角瓦斯治理模式，减少了顶板抽采巷道的施工，具有极大的推广价值和潜在经济效益。高位大直径定向长钻孔采空区瓦斯治理技术，开辟了煤矿采空区瓦斯治理的新途径，极大地提高了采空区瓦斯抽采效果和钻孔利用效率，杜绝了工作面上隅角及回风流瓦斯超限，有力保障了工作面的安全生产和作业人员的人身安全，显著提高工作面回采速度，实现了工作面高产高效，使煤矿企业进入良性循环发展轨道，推广应用价值巨大。
参考文献：
[1]李润求，施式亮，念其锋，等.近十年我国煤矿瓦斯灾害事故规律研究[J].中国安全科学学报，2011，21（9）：143-151．
[2]孙庆刚.中国煤矿瓦斯灾害现状与防治对策研究[J].中国煤炭，2014，40（3）：116-119.
[3]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.12-15.
[4]程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，26（2）：127-139.
[5]王兆丰，刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全，2005，36（3）：29-32.
[6]王魁军，张兴华.中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J].中国煤层气，2006，3（1）：13-16.
[7]秦洪岩，题正义，李洋，等.基于板壳理论的充填开采断裂带高度计算方法研究[J].煤炭工程，2017，49（1）：81-84.
[8]乔小龙.大采高综放开采覆若破坏特征和裂隙演化规律[J].工程地质学报，2017，25（3）：858-866.
[9]刘伟韬，陈志兴，张茂鹏.覆岩裂隙带发育高度数值拟和现场实测[J].矿业安全与环保，2016，43（1）：57-60.