1、2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.019定向千米钻机在近水平煤层石门揭煤中的应用与探索（山西亚美大宁能源有限公司，山西 晋城 048100）摘要 针对作为瓦斯突出矿井的大宁煤矿近水平煤层石门揭煤措施控制区域大、预抽钻孔施工质量要求高等问题，结合定向千米钻机轨迹可控、过程可溯的特点，提出采用千米钻机反向穿层钻孔预抽揭煤区域煤层瓦斯的技术方案。该方案实现了煤层产状的精准探测和钻孔质量的全过程管理，突破了传统揭煤措施在时间及空间上的限制，实现了区域煤层超前抽采，煤层瓦斯含量由10.25 m3/t降低至5.84 m3/t，
2、既保证了抽采效果，又有效控制了揭煤作业时的瓦斯突出风险。关键词 定向千米钻机；近水平煤层；石门揭煤；瓦斯突出中图分类号 TD712文献标识码 B文章编号 1672蛳9943（2023）05蛳0058蛳040引言随着煤炭开采强度的不断增大，煤与瓦斯突出愈发成为井工矿井中最严重的灾害之一。其中石门揭煤作业的瓦斯突出风险最大咱员暂。据统计，瓦斯突出煤量达千吨以上的瓦斯突出案例中，石门揭煤瓦斯突出次数占比达到 77%。为此，防治煤与瓦斯突出细则 对井巷揭煤作业工序做出了明确要求咱圆暂。现井巷揭煤作业中区域防突措施主要采用预抽揭煤区域煤层瓦斯。然而对于近水平煤层的预抽钻孔施工通常存在以下问题：石门揭煤过
3、渡段，巷道掘进过长；单孔有效进尺占比较小，钻孔施工工程量大；钻机频繁移机施工效率低；钻孔施工极易产生空白带，增加安全风险。大宁煤矿作为国内优先引进澳大利亚 VLD 定向千米钻机的突出矿井，在定向千米钻机深孔精准地质探测、高效瓦斯抽采、定点探放水等方面进行了广泛的试验和应用咱猿暂。针对大宁煤矿近水平煤层石门揭煤设计中，揭煤巷道距离长、瓦斯治理区域大、地质探测精度要求高等特点咱源暂，利用千米定向钻机进行了揭煤区域地质探测和瓦斯治理，钻孔施工效率显著提高，瓦斯抽采效果明显，取得了良好的应用效果。1工程概况大宁煤矿位于沁水煤田东部南段，设计生产能力 4.0 Mt/a，批准开采 3#煤层，开采水平+48
4、5 m，埋深 200450 m，采用斜井开拓方式。2003 年至今先后采购 7 台定向千米钻机，以解决矿井瓦斯治理问题。该矿 2012 年被鉴定为煤与瓦斯突出矿井，根据矿井防治煤与瓦斯突出专项设计要求，采用“三岩一煤”开拓大巷布置，即：在突出煤层顶板布置 3 条开拓岩巷，在岩巷的掩护下掘进 1 条开拓煤巷。3#煤层位于二叠系下山西组下部，煤层平均厚度约 4.45 m，近水平煤层，属中等变质程度的无烟煤，全区稳定可采。煤层顶板为粉砂岩、泥岩或砂岩；底板为泥岩或粉砂岩。煤层自燃等级为级，为不易自燃煤层，抽放难易程度属可以抽放 容易抽放类型咱5暂。西大一开拓煤巷设计沿煤层底板掘进，掘进过程中因受 F
5、334 系列断层影响，出现长距离煤层缺失，综合掘进设备、无轨胶轮车爬坡性能及巷道使用功能受限等情况，设计-12毅倾角岩巷掘进，在掘进 110 m 后揭露 3#煤层，调整坡度沿煤层底板掘进咱6暂。揭煤区段巷道设计如图 1 所示。（a）揭煤区段巷道设计平面西 87西 85西 84西 86揭煤区域采取区域防突措施位置现掘进位置瓦斯含量取样点瓦斯参数测量钻孔西大一开拓煤巷西大二巷道能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5582023 年 10 月Oct.,20232019 年 4 月，在西大二巷道
6、设计 3 个底板穿层钻孔测定西大一开拓煤巷揭煤区域煤层瓦斯参数，现场采用直接法进行原始瓦斯含量、瓦斯压力测定。测定原始瓦斯含量为 10.25 m3/t，原始瓦斯为1.23 MPa。2近水平石门揭煤施工要求按照 防治煤与瓦斯突出细则 第七十七条关于“在揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离 10 m之前，应当至少施工 2 个穿透煤层全厚且进入顶（底）板不小于 0.5 m 的前探取芯钻孔，并详细记录岩芯资料，掌握煤层赋存条件、地质构造等”要求，揭煤前需对揭煤区域煤层赋存情况进行精准探测。为了有效控制揭煤作业过程中的突出风险，须按照 防治煤与瓦斯突出细则 中第六十四条的要求，对设计巷道轮廓线外 12 m
7、 及巷道轮廓线的最小距离不小于 5 m 的煤层范围采取区域预抽防突措施。同时考虑到揭穿煤层后巷道将沿煤层掘进，区域预抽防突措施仍需满足：近水平煤层区域防突措施须控制巷道两侧轮廓线外至少各 15 m；采掘工作面距未预抽或者预抽防突措施效果无效区域边界的最小距离不得小于 20 m。故将西大一开拓煤巷揭煤区域预抽钻孔控制范围设定为：沿煤层走向方向控制宽度 36 m；沿巷道掘进方向控制长度59 m。揭煤区域预抽瓦斯控制范围较大。揭煤区域预抽范围示意如图 2 所示。（a）揭煤区域预抽范围平面（b）揭煤区域预抽范围剖面图 2揭煤区域预抽范围示意另因该区域属 F334 构造带影响范围内咱苑暂，煤层瓦斯含量须
8、由原始测定值 10.25 m3/t 降至 6 m3/t 以下，区域煤层瓦斯预抽率须达到 40%以上，瓦斯预抽工程量较大。3设计方案根据 2017 年中国矿业大学编制的 大宁煤矿3 号煤层钻孔抽采半径和排放半径测定考察报告：准96 mm 抽采钻孔，抽采 3 个月，有效抽采半径为3.5 m；抽采 6 个月，有效抽采半径为 4.5 m。准75 mm抽采钻孔，抽采 3 个月，有效抽采半径为 3.0 m；抽采 6 个月，有效抽采半径为 4.0 m。结合西大一开拓煤巷设计停掘位置、西大二巷道与揭煤区域空间位置关系和矿井钻机配备应用情况，设计 4 种预抽钻孔施工方案，具体如下：方案 1：在西大一开拓煤巷设计
9、停掘位置采用定向千米钻机对揭煤区域施工预抽钻孔。钻孔孔径96 mm，设计钻孔 11 个，钻孔呈扇型布置，单孔设计长度 3580 m，单孔进尺 60150 m，预计施工钻孔总进尺 1 260 m，孔底间距 6 m，采用“两堵一注”进行封孔，封孔长度 12 m。该钻孔施工需在西大一开拓煤巷掘进至停掘位置后方可实施，同时钻孔由岩层过渡至煤层时过渡段距离较长，加之 F334 系列断层影响，过渡段极易出现垮孔、塌孔现象，施工难度较大。西大一开拓煤巷停掘位置施工定向预抽钻李向阳定向千米钻机在近水平煤层石门揭煤中的应用与探索（b）揭煤区段巷道设计剖面图 1揭煤区段巷道设计F334-2，320毅蚁60毅，H1
10、0 mF334-1，320毅蚁60毅，H15 m现掘进位置岩巷倾角标高/m煤巷揭煤区域60059058057056055054053060059058057056055054053012毅采取区域防突措施位置西大一开拓煤巷西大二巷道西 87西 86西 85揭煤区域采取区域防突措施位置区域预抽范围59 m西大二巷道西大一开拓巷道采取区域防突措施位置设计煤巷揭煤区域20 m20 m59 m592023 年 10 月Oct.,2023孔设计如图 3 所示。图 3西大一开拓煤巷停掘位置施工定向预抽钻孔设计方案 2：在西大一开拓煤巷设计停掘位置采用非定向钻机对揭煤区域施工预抽钻孔。钻孔孔径75 mm，设
11、计抽采钻孔 77 个，钻孔呈扇型布置，单孔设计长度 1575 m，预计施工钻孔总进尺 3 500 m，孔底间距 56 m，采用“两堵一注”进行封孔，封孔长度 58 m。该钻孔施工需在西大一开拓煤巷掘进至停掘位置后方可实施，同时因采用非定向钻机施工轨迹不可控、误差大、易形成空白带，且在西大一开拓煤巷迎头布置大量钻孔，前方煤岩体受密集钻孔扰动影响，裂隙增加，钻孔封孔难度较大，钻场易漏气，影响抽采效果。西大一开拓煤巷停掘位置施工非定向预抽钻孔设计如图 4 所示。图 4西大一开拓煤巷停掘位置施工非定向预抽钻孔设计方案 3：在西大二巷道底板岩巷采用非定向钻机对揭煤区域施工穿层预抽钻孔。钻孔孔径75 mm
12、，设计抽采钻孔 77 个，钻孔呈矩形布置，单孔设计长度 3060 m，预计施工钻孔总进尺 3 850 m，孔底间距 56 m，采用“两堵一注”进行封孔，封孔长度 12 m。该钻孔施工可在西大二巷道提前实施，但因采用非定向钻机施工轨迹不可控，易造成空白带，且钻工工程量较大，钻孔穿矸较多，施工效率较低。西大二巷道施工非定向穿层预抽钻孔设计如图5 所示。图 5西大二巷道施工非定向穿层预抽钻孔设计方案 4：在西大二巷道底板超前钻场采用定向千米钻机对揭煤区域施工穿层预抽钻孔。钻孔孔径96 mm，设计抽采钻孔 7 个，钻孔呈扇型布置，单孔设计长度 210230 m，单孔进尺 300350 m，预计施工钻孔
13、总进尺 2 300 m，孔底间距 6 m，采用“两堵一注”进行封孔，封孔长度 12 m。该钻孔施工可在西大二巷道钻场提前施工，且在西大一开拓煤巷掘进过程中均可保留利用，但施工过程中穿矸相对距离过长。西大二巷道施工定向穿层预抽钻孔设计如图 6所示。图 6西大二巷道施工定向穿层预抽钻孔设计4方案优选针对前述提出的 4 种区域预抽防突措施施工方案，从预抽钻孔施工时间、钻孔施工工期、钻孔施工工程量及区域瓦斯抽采时间等方面进行比较，优选施工方案。施工方案对比如表 1 所示。表 1施工方案对比方案 1方案 2方案 3方案 4钻孔施工位置西大一西大一西大二西大二是否可提前施工不可提前施工不可提前施工可提前施
14、工可提前施工钻孔个数/个1177777施工总进尺/m1 2603 5003 8502 300穿煤抽采钻孔进尺/m510390400700钻孔施工时间/d913147预计抽采时间/d90909090设计停掘位置预计见煤点预计揭煤完成点20 m19 m20 m预计揭煤完成位置预计见煤点法距 7 m 处20 m20 m19 m20 m20 m19 m西 88西 87西 86西大一开拓煤巷西大二巷道钻孔终点预计揭煤完成点西 88西 87西 86西大一西大二X201 钻场钻孔预计见煤点 预计揭煤完成点钻孔终点59 m20 m20 m19 m能 源 技 术 与 管 理Energy Technology a
15、nd Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5602023 年 10 月Oct.,2023方案 1、方案 2 需要在西大一开拓煤巷掘进至距煤层法向距离大于 7 m 时（设计停掘位置）方可施工，且在工作面迎头施工大量的钻孔，会对前方煤岩体造成破坏，影响抽采效果，同时施工位置处于长距离下山掘进巷道内，设备材料兑运、供排水管理难度较大。方案 3、方案 4 均可利用已掘的西大二巷道提前对揭煤预抽区域进行施工，且可服务于整个揭煤施工周期，保证长周期抽采。但方案 3采用非定向钻机施工下行穿层钻孔，孔内排水、排渣较困难，在一定程度上影响抽采效果。方案 4 抽采钻孔设计充分
16、考虑巷道坡度，轨迹设计基本呈水平，有利于孔内积水、积渣的排除，且施工过程可充分利用千米钻机孔内分支、轨迹可控的特点，实现煤层产状的精准探测和钻孔质量的全过程管理，可进一步提高抽采效果。故综合考虑将方案 4 确定为最终的优选方案。5工程应用与效果验证2019 年 7 月，在距离揭煤区域超前约 120 m 的西大二巷道巷帮钻场采用定向千米钻机向揭煤区域施工预抽钻孔。共计施工钻孔 8 个。钻孔呈扇型布置，钻孔孔径 96 mm；选用准100 mm 的封孔管配合“两堵一注”进行封孔，封孔长度 12 m；单孔进尺300350 m，累计进尺 2 334 m，施工工期 8 d。煤层底板钻孔设计如图 7 所示。
17、（a）煤层底板钻孔设计平面（b）煤层底板钻孔设计剖面图 7煤层底板钻孔设计为准确掌握揭煤区域煤（岩）层赋存情况，要求各钻孔见煤后每 30 m 探底一次，每 50 m 探顶一次，每钻进 3 m 进行一次随钻轨迹测定。综合分析各钻孔施工参数，认为揭煤区域煤（岩）层赋存条件为：煤层倾向 280毅320毅，厚度 3.84.6 m，顶板岩性以层状粉砂岩、细砂岩为主，夹薄层泥岩，底部为粉砂岩或细砂岩，岩体完整性和稳定性较好。为有效解决钻孔施工过程中的积水、积渣问题，进一步提高抽采效果，钻孔施工过程中要求：探底钻孔必须深入煤层底板以下 7 m。每隔 30 m 洗孔 1 次，洗孔时间不少于 30 min，且孔
18、内返水无煤渣。同时在该西大二巷道钻场设计施工 3 个煤层底板钻孔，每 20 m 分支向上探测并穿透上部煤层，以增加区段煤层裂隙，疏排抽采钻孔内的积水。2019-07-09 所 有 钻 孔 施 工 完 毕，在 钻 场准219 mm 抽采支管上安装在线计量装置进行抽采计量，抽采负压 4550 kPa，每周安排检测人员现场巡查并进行人工比对。结合前述抽采半径相关要求，在抽采 100 d 后对该揭煤区域瓦斯抽采纯量和煤体残余瓦斯含量进行统计计算。经统计，累计抽采瓦斯纯量 36.83 万 m3，计算区域煤体残余瓦斯含量下降至 4.75 m3/t。按 防治煤与瓦斯突出细则 要求，2019 年 11月，选用
19、直接法测定揭煤区域残余瓦斯含量、进行揭煤前区域防突措施效果检验。共布置测点 7 个。经现场实测，揭煤区域残余瓦斯含量最大 5.84 m3/t，满足构造带瓦斯含量6 m3/t 的临界值要求，判定该区域预抽防突措施有效。揭煤后续施工中采用远距离爆破工艺掘进，期间未出现验证指标超标、瓦斯异常波动等其它情况，顺利完成揭穿作业。6结论（1）大宁煤矿为典型的近水平厚煤层突出矿井，在煤巷掘进受构造带影响、开展石门揭煤作业过程中，按细则要求，存在揭煤巷道距离长、瓦斯治理区域大、地质探测精度要求高、下行抽采钻孔易积水积渣等困难，结合矿井长期瓦斯治理经验，提出 4种抽采解决方案并进行优选。（2）矿井选用在西大二巷
20、道底板超前钻场对揭煤区域施工定向长钻孔的技术方案，不但充分利用千米钻机孔内分支、轨迹可控的特点，实现了煤层产状的精准探测和钻孔质量的全过程管理，而且超前钻场的设计突破了传统揭煤措施在时间及空间上的限制，实现了区域煤层超前抽（下转第 73 页）西 88西 87西 86预计见煤点钻孔终点西大一开拓煤巷西大二巷道X201 钻场X201 钻场西大一开拓煤巷西大二巷道揭煤区域20 m 20 m20 m20 m20 m能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5612023 年 10 月Oct.,2023
21、（上接第 61 页）采，保证了抽采效果。（3）在定向长钻孔施工过程中严格控制煤层段探顶、探底间隔及洗孔要求，同时辅助底板梳形钻孔的施工，有效解决了钻孔内积渣、积水的难题，经过 100 d 的高负压抽采，煤层瓦斯含量由 10.25 m3/t降低至 5.84 m3/t，实现了安全高效的揭煤作业。参考文献1叶青，冯涛，贾真真，等.石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素分析 J.中国矿业，2008（4）：83-85.2国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出细则 M.北京：煤炭工业出版社，2019.3冯捷.深孔定向钻机在瓦斯抽采方面的应用研究 J.能源与节能，2021（2）：215-216.4徐好哲
22、.突出煤层石门揭煤区域瓦斯抽采效果分析 J.能源与环保，2019，41（11）：47-49.5俞启香.中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制方法 J.西北煤炭，2007（2）：3-7.6靳生.煤矿巷道掘进技术现状及发展 J.内蒙古煤炭经济，2014（9）：40.7谷达圣.石门揭煤围岩体塑性区形成的特征及瓦斯抽采布孔参数的研究 D.重庆：重庆大学，2011.作者简介李向阳（1987-），男，工程师，硕士，毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，长期从事矿山设计、放顶煤开采等技术工作。收稿日期：2023-06-19主要集中于煤柱侧；变形后的煤壁未超过泵送支柱的外边缘线；实体煤侧煤壁变形也得到了有效限制
23、。由图 1、5 分析可知，采取“泵送支柱”措施后，“泵送支柱”加强支护的 25 m 范围内，巷道顶底板和两帮位移量较“一梁四柱”加强支护大幅度减少。同时，与加强支护范围相邻区域的支护效果也得到明显改善，距工作面 25100 m 范围内的巷道顶底板和两帮位移量分别由 1 0821 346 mm、693771 mm降至 132174 mm、560280 mm。这说明有效的超前加强支护对减少工作面回采引起的超前支撑应力的影响范围有显著作用。5结论（1）小煤柱或无煤柱开采条件下，回采巷道受上区段和自身工作面回采的双重影响，应力集中区影响范围大，加强支护困难。“泵送支柱”支护方式施工工艺简单、劳动强度低
24、、支护强度大、残余强度高，与护巷煤柱形成支护体系，为护巷煤柱提供了较大的侧向压力，提高了护巷煤柱的抗压强度，维持了护巷煤柱的稳定。（2）枣泉煤矿 130203 回风巷试验结果表明，与“一梁四柱”加强支护相比，采用“泵送支柱”加强支护措施后，采取加强支护措施的 25 m 范围内，巷道顶底板和两帮平均位移量分别减少 74.8%和 52.4%，巷道高度基本保持在 2.2 m 以上，煤柱侧变形后的煤壁未超过泵送支柱的外边缘线，实体煤侧煤壁变形也得到有效限制，巷道支护效果改善明显。（3）巷道支撑应力分析及试验结果表明，小煤柱或无煤柱开采条件下，回采巷道受上区段和自身工作面回采的双重影响，超前支撑应力的影
25、响范围与巷道加强支护措施有关。有效的巷道加强支护措施不仅可以保持应力集中区巷道的稳定，还可以限制集中应力向工作面后方传递，维持了整个巷道的完整。参考文献1姚强岭，朱贵伟，郑闯凯，等.厚煤层沿空巷道主动式超前支护技术与实践 J.采矿与岩层控制工程学报，2022，41（1）：5-15.2中华人民共和国应急管理部.煤矿安全规程 M.北京：应急管理出版社，2022.3张坤，李玉霞，钟东虎，等.超前液压支架群组锚固耦合支护力学特性研究及实验验证 J.岩石力学与工程学报，2021，40（7）：1428-1443.4刘剑.超前支护液压支架的发展与应用分析 J.煤矿机械，2019，40（10）：132-133
26、.5张宏明，曹伟.石炭系千万吨级矿井综采顺槽超前支护支架设计及应用 J.煤矿安全，2012，43（9）：98-100.6王国法，李前，赵志礼，等.强矿压冲击工作面巷道冲击倾向性测试与超前支护系统研究 J.山东科技大学学报（自然科学版），2011，30（4）：1-9.7刘金海，姜福兴，孙广京，等.深井综放面沿空顺槽超前液压支架选型研究 J.岩土力学与工程学报，2012，31（11）：2232-2239.8崔魏，崔峰.考虑蠕变影响的近断层软岩巷道变形破坏特征与支护对策 J.煤矿安全，2021，52（11）：217-225.9张国恩，赵建明，胡江，等.乌兰木伦煤矿综采面过空巷泵送支柱支护技术研究 J.煤炭工程，2019，51（8）：35-38.作者简介倪兴（1987-），男，助理研究员，硕士，毕业于山东科技大学矿业工程专业，长期从事矿山灾害防治工作。收稿日期：2023-02-03能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.573
