下向穿层钻孔施工工艺研究

下向穿层钻孔施工工艺研究
文章以某煤矿保护层工作面钻场施工K3b煤层穿层钻孔为研究背景，研究了保护层工作面钻场施工K3b煤层穿层下向钻孔的施工工艺，并在钻场施工了下向穿层钻孔，有效地提高了钻场钻孔穿煤效果和减少了钻孔施工时间，该施工工艺具有良好的实用性和广阔的推广前景。

标签：采矿工程；下向钻孔；施工工艺
煤炭是我国主导能源，随着矿井开采深度增加和开采强度增大，煤层瓦斯含量和地应力增大，突出危险程度更为严重，伴随有灾害强度大，防治困难和灾害损失严重等特点[1-5]。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，瓦斯抽采是解决煤与瓦斯突出等动力灾害事故的根本措施，对于降低瓦斯压力、消除煤与瓦斯突出等动力灾害有着十分重要的作用，穿层钻孔瓦斯抽采技术是通过在距离煤层顶板或底板一定距离的稳定岩层中，超前煤层掘进巷道施工一条岩层巷道，并通过该巷道向煤层掘进巷道周围煤体中施工穿层抽采钻孔，经过一定时间的预抽，降低直至消除掘进工作面前方的煤与瓦斯突出危险性，形成岩巷掩护煤巷掘进的安全防突格局。

随着西南某煤矿进入深部水平开采，原有部分运输巷钻场K3b煤层穿层孔由于孔深超过100m，运输巷施工穿煤困难，为此在该矿保护层工作面回风巷钻场进行K3b煤层穿层下向孔现场试验，有效的提高了钻场钻孔穿煤效果和减少了钻孔施工时间。

1 实验区概况
K3b煤层穿层下向钻孔试验地点选择在2224-2采面回风巷钻场，2224-2采面位于+100m水平二采区北翼+175m～+240m阶段N6#～N4#石门之间，北为矿井井田边界，南为2224-1采面（未布置），东为2222-2采面（正在回采），西为2226-2采面（未布置），工作面走向长664m，倾斜长100～111m，煤层厚度0.67～0.8m，平均0.72m，煤层倾角33～35°。

2 现有钻孔布置方式存在的问题
保护层工作面抽采K3b煤层瓦斯的抽采钻孔布置在工作面运、回风巷钻场，目前钻孔布孔方式为在工作面运输巷施工反向孔和正向孔，控制工作面回风巷高程以下至运输巷卸压范围，在工作面回风巷施工正向孔和反向孔，控制工作面回风巷高程以上至回风巷卸压范围，图1为保护层工作面运输巷钻场反向孔与回风巷钻场下向孔对比图。

由图1可以看出，现有钻场钻孔布孔方式主要存在以下问题：
（1）在工作面运输巷钻场施工反向孔控制工作面回风巷高程以下25m范围，钻孔与K3b煤层交角在16°以下，根据钻孔施工情况，钻孔与煤层交角小于18°钻孔穿煤困难，多数钻孔在穿煤前便沿煤层底板粘土泥岩钻进，无法穿过煤层底
板进入K3b煤层。

（2）工作面运输巷钻场控制工作面回风巷高程以下25m范围的反向孔，钻孔深度在70m以上，最深达100m左右，由于钻孔需过硬岩，钻孔施工困难，如在2222-1运输巷钻场施工深度在90m左右的反向孔，施工时间过长，严重制约钻场施工。

而在工作面回风巷钻场施工下向孔，钻孔深度在50m以内，钻孔与煤层交角大于20°，可有效地解决以上两个问题。

3 下向穿层钻孔试验施工情况
试验在2224-2采面回风巷14#高位钻场和12#、13#浅钻场进行，共计施工26个下向穿层钻孔，钻孔进尺938.36m。

其中14#高位钻场施工下向钻孔11个，钻孔倾角为-8～-13°，钻孔深18～36m；13#浅钻场施工下向钻孔7个，钻孔倾角为-6～-20°，钻孔深28～76m，在此钻场施工了大倾角下向试验钻孔，钻孔倾角-20°，孔深达76.96m，穿煤1.9m；12#浅钻场施工下向钻孔8个，钻孔倾角为-6～-20°，钻孔深28～59m。

为防止下向钻孔积水，在施工时将钻场积水清理干净，且每个钻孔施工完成均立即用马丽散进行封堵。

4 试验结果分析
4.1 下向钻孔钻进效果分析
下向钻孔钻进速度采用硬质合金钻头钻进普通岩石时速度在5～10min/根，采用胎体复合片钻头钻进时硬岩时速度在15～20min/根，钻进速度与施工K3b 煤层穿层正向孔时相差不大，通过试验表明，钻孔倾角-20°时，可达到钻进钻孔深77m左右，且每个下向孔均能穿K3b煤层1m左右，钻孔成孔率达100%，能够满足该煤矿K3b煤层瓦斯抽采钻孔施工的需要。

4.2 下向钻孔施工的优点
4.2.1 由于运输巷钻场第1～2排反向孔孔深均在80m左右，而将运输巷这2排反向孔控制范围移至回风巷钻场施工，孔深在30～50m左右，在控制K3b煤层范围和抽采半径不变的情况下，可有效地减少工作面K3b煤层穿层孔钻孔进尺。

4.2.2 由于运输巷钻场第1～2排反向孔孔深均在80m左右，钻孔倾角在60°以下，钻孔穿煤交角在16°以下，造成钻孔在进入K3b煤层底板粘土泥岩后，沿着煤层底板钻进，钻孔无法进入K3b煤层，钻孔穿煤困难。

而采用回风巷施工下向孔后，由于钻孔孔深在50m以下，钻孔穿煤交角在20°以上，能够保证钻孔穿煤效果。

4.3 下向钻孔施工的缺点
4.3.1 由于采用下向钻孔，在该矿目前施钻条件下，只能采用压风排粉，钻孔施工过程中钻头温度较高，容易损坏钻头，且粉尘较大，不利于员工劳动保护；
4.3.2 下向钻孔在施工过程中不得有水进入，否则影响钻孔抽采效果，故对钻场要求不得积水，且如果遇地质变化钻孔内出现水时钻孔无法保证抽采效果。

5 结论和建议
5.1 通过下向穿层钻孔试验表明，采用现有ZYG150C型钻机和钻具的条件下，使用压风排粉可施工倾角在-20°左右，孔深75m左右的下向孔，且钻进时间与施工正向孔相差不大。

5.2 在倾斜煤层保护层工作面回风巷施工K3b煤层穿层下向钻孔，可提高钻孔穿煤效果，减少运输巷钻场施工反向深孔，在控制K3b煤层抽采范围和抽采半径不变的条件下，有效地减少了工作面钻孔进尺，可在该煤矿+100m水平二采区和-300m水平各采区保护层工作面钻场抽采钻孔设计时推广应用。

参考文献
[1]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.
[2]柏发松.煤巷掘进瓦斯治理技术探讨[J].矿业安全与环保，2000，27（S）：42-44.
[3]国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[4]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.
[5]庞才龙.高瓦斯煤层中掘进瓦斯治理技术[J].煤炭技术，2011，30（3）：116-118.
作者简介：王京生（1986-），男，山东人，副主任工程师，主要从事采矿工程方面的工作。