0 引言
定向钻进是使用定向钻机、随钻测量系统，利用钻孔自然弯曲及人工造斜工具，使钻孔按照设计延伸至预定目标的钻进方法[1-3]。从2003年起，国内一些大型煤矿企业逐步引进欧美国家的定向钻进装备，开始探索定向钻进技术在煤矿领域的应用[4-5]。近年来，随着国内定向钻进装备不断完善，其在煤矿钻探领域的应用日趋成熟。2014年，寺河煤矿施工1 881 m定向顺层钻孔；2017年，保德煤矿施工2 311 m超长定向顺层钻孔，打破了世界纪录[6]。
随着我国煤矿开采深度不断增加，瓦斯含量逐步增大，高瓦斯矿井抽采与采掘衔接日趋紧张。定向钻进技术因其定位准确、施工距离长、规模化抽采等优点，现已大规模应用于矿井瓦斯抽采工程，克服了传统普通坑道钻机施工的空间局限性，大幅提升了矿井瓦斯抽采效率[7-9]。
本文以晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿为例，分析了定向钻进技术在顺层钻孔抽采实体煤、高位钻孔抽采采空区、跨破碎带抽采待掘区域等方面的应用模式。成庄矿在实践过程中形成了基于定向钻进技术的综合立体抽采模式[10]，针对实体煤层、“U”型通风上隅角瓦斯集聚区域、破碎煤层、煤层积水情况，分别采用顺层递进模块式抽采技术、顶板高位定向钻孔抽采技术、煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术、顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术进行瓦斯抽采。该模式已成为“采煤采气一体化晋城抽采模式”的重要组成部分[11-12]。
1 矿井概况
成庄矿位于山西省晋城市，生产能力为8.3 Mt/a，属于高瓦斯矿井。矿井采用综合机械化一次采全高综采放顶煤和大采高2种采煤方式，采用“U”型通风方式，开采3号、9号、15号煤层，煤层瓦斯储量为6 276.97 Mm3，可抽瓦斯量为1 915.94 Mm3，瓦斯抽采量约为1.5亿m3/a。煤层中等硬度，煤体结构较为完整，煤体裂缝系统较为发育。成庄矿现有LD-1000型和ZDY6000LD型2个系列定向钻机。
2 顺层递进模块式抽采技术
成庄矿利用千米定向钻机施工距离长、定位准确的特点，在巷道掘进期间向相邻待掘区域布置定向钻孔，进行长时间、大范围的区域预抽，待煤层瓦斯含量降至安全范围后，在抽采有效覆盖区域进行采掘活动，然后向下一区段施工定向钻孔，为巷道快速掘进和工作面安全回采创造有利条件。通过预抽模块、掘进工作面、回采工作面的循环递进，实现了回采煤量和抽采煤量的良性接替。同时充分利用千米钻孔精确定位、多分支的特点，对待采掘区域进行详细的探顶、探底作业，摸清待采掘区域的煤层变化情况。顺层递进模块式抽采技术如图1所示。
图1 顺层递进模块式抽采技术
Fig.1 Bedding progressive modular drainage technology
以4313工作面为例介绍定向钻孔布置方式。钻场间距为150～200 m，每个钻场布置10～15个钻孔，呈扇形布置，钻孔覆盖范围为300 m×250 m，钻孔长度为300～500 m，直径为96 mm，每个钻孔设5～10个分支，钻孔每前进30～50 m对煤层进行探顶、探底作业，探明抽采区域煤层产状、厚度等信息，分支孔终孔间距为5 m，两钻场交叉范围为50 m。定向钻孔未覆盖的区域施工普通钻孔进行补充。
4313工作面自2012年6月8日开始施工定向钻孔，截至2017年11月3日，瓦斯抽采总量为3 484.89万m3。工作面煤层原始瓦斯含量为14.2 m3/t，抽采后煤层瓦斯含量降至5.81 m3/t，可解吸瓦斯含量降至3.43 m3/t，工作面瓦斯含量变化如图2所示。与普通钻孔相比，定向钻孔有效抽采距离长，整体瓦斯流量大，一般为普通钻孔的5倍。水平定向钻孔瓦斯体积分数初期可达70%～80%，后期衰减至40%。而普通钻孔初期瓦斯体积分数为20%～80%，浓度变化较大，钻孔流量衰减速度很快。
图2 工作面瓦斯含量变化
Fig.2 Gas content variety on working face
3 顶板高位定向钻孔抽采技术
李广义等[13]、李爱军[14]、朱鹏飞[15]对成庄矿顶板高位定向钻孔抽采技术进行了研究。笔者通过现场观测及收集相关资料，对顶板高位定向钻孔抽采技术进行分析。该抽采技术利用钻机深孔定向功能，钻孔从煤巷以大角度攀升至裂隙带，在裂隙带一定高度内保持水平钻进，增加钻孔有效抽采距离，提高钻孔服务时间。
在“U”型通风工作面，采空区大量瓦斯被带入回风巷，加之风流不畅，极易导致上隅角瓦斯聚集。施工顶板高位定向钻孔后，钻孔通过裂隙带与工作面上隅角构成连通系统，在负压及瓦斯上浮的联合作用下，采空区内瓦斯通过裂隙被高位定向钻孔抽出，如图3所示，从而降低上隅角瓦斯浓度。
图3 顶板高位定向钻孔抽采瓦斯流场
Fig.3 Gas flow field of roof high directional borehole drainage
成庄矿在多个工作面施工了顶板高位定向钻孔。本文选取4318工作面进行分析。钻场布置在4318-2巷，共施工8个高位定向钻孔，钻孔长度为258～360 m，钻孔终孔层位在52.9～107.8 m，钻孔布置如图4所示，具体参数见表1。
图4 顶板高位定向钻孔布置
Fig.4 Distribution of roof high directional boreholes
表1 顶板高位定向钻孔布置参数
Table 1 Distribution parameters of roof high directional boreholes
钻孔施工完成后连入抽采系统，适时关闭已进入深部采空区的钻孔，开启采动影响范围内的钻孔，抽采的同时收集钻孔瓦斯浓度、负压、混量等参数，并对各钻孔收集数据进行分析。限于篇幅，选取R-1，R-3，R-5这3个钻孔进行分析。
R-1孔长258 m，开孔倾角为20°，终孔高度为60.2 m。在工作面推过钻孔32 m后顶板垮塌形成裂隙，钻孔流量突然增大，瓦斯体积分数达到60%左右。随着工作面逐步推进，钻孔流量增加到8 m3/min，且瓦斯体积分数保持在50%左右，瓦斯纯量为4 m3/min，维持了200 m的推进度。后期顶板垮落，钻孔流量降至4 m3/min左右，瓦斯体积分数降至40%左右，相应纯量降至1.6 m3/min。
R-3孔长360 m，开孔倾角为22°，终孔高度为107.8 m。在工作面推过钻孔22 m后顶板垮塌形成裂隙，开始有钻孔流量，瓦斯体积分数达到60%。随着工作面逐步推进，钻孔流量增加到7 m3/min，且瓦斯体积分数保持在50%左右，瓦斯纯量为3.5 m3/min。后期钻孔流量降至2 m3/min，瓦斯体积分数降至30%，相应纯量降至0.6 m3/min。
R-5孔长282 m，开孔倾角为28°，终孔高度为62.1 m。在工作面推过钻孔45 m后顶板垮塌形成裂隙，开始有钻孔流量，瓦斯体积分数达到60%。随着工作面逐步推进，钻孔流量增加到8 m3/min，且瓦斯体积分数保持在50%左右，瓦斯纯量为4 m3/min。后期顶板垮落稳定，钻孔流量降至5 m3/min左右，瓦斯体积分数降至30%左右，相应纯量降至1.5 m3/min。
通过对比分析，可判断3个钻孔均布置在裂隙带内，R-1，R-3，R-5钻孔较高，低层位钻孔流量大于高层位钻孔，抽采效果更好。4318工作面抽采高浓度瓦斯区域:倾斜方向上分布在距回风巷小于50 m范围内，垂直方向上分布在层位高度60～80 m范围内。
4318工作面抽采时，统计工作面风排瓦斯量为9.8～17.6 m3/min，顶板高位定向钻孔瓦斯抽采量为5.5～11.1 m3/min，如图5所示。顶板高位定向钻孔瓦斯抽采量占工作面瓦斯涌出量的32.2%～48.9%，有效减少了流入风流的瓦斯量。
图5 钻孔瓦斯抽采量、风排瓦斯量随时间变化曲线
Fig.5 Variety curves of gas quantity extracted by borehole and exhausted by wind
顶板高位定向钻孔抽采技术具有抽采距离长、钻孔有效利用率高、钻孔层位稳定、瓦斯浓度高、抽采率高等特点，能够有效治理采空区瓦斯，减少上隅角瓦斯聚集。
4 煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术
水平定向钻孔遇松软破碎煤层时易发生塌孔、卡钻现象，尤其是在矿压影响下，巷道周边30～50 m范围内钻孔施工困难。针对这一现象，成庄矿采用煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术，如图6所示。定向钻机在煤层中开孔后快速升至顶板，主孔布置在成孔性较好的砂质稳定顶板中，钻孔跨越柔软破碎煤体后，再次施工梳状定向钻孔进入煤层，从而达到掩护下一阶段巷道掘进的目的。在梳状定向钻孔无法到达的破碎区域使用普通坑道钻机进行补孔。
图6 煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔布置
Fig.6 Distribution of comb-like directional boreholes in coal-rock-coal type roof
成庄矿4226巷和4313-1巷之间存在煤体破碎带，在4226巷施工梳状定向钻孔，主孔进入煤层顶板跨越煤体破碎带后，分支孔进入4313-1巷和4313-2巷周边的煤体进行覆盖抽采。共施工3个主孔，主孔在煤层中开孔30 m后进入顶板，30～100 m为岩层孔，100 m后开始施工分支孔进入煤层。钻孔覆盖2个巷道及周边20 m范围，孔内瓦斯体积分数保持在80%以上，单孔瓦斯抽采量约为0.8 m3/min。经6个月抽采，抽采区域平均瓦斯含量降至6 m3/t以下，有效掩护了巷道安全快速掘进。
煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术适用于煤质松软破碎区域，布孔时应注意主孔层位应位于砂岩、粉砂岩等成孔性较好的岩层中。当存在砂、泥岩互层时，泥岩厚度应不大于0.5 m，主孔倾角应保持在0～10°，分支点间距50 m左右，分支孔角度降幅应小于 20°。钻孔施工工艺采用后退式，即先施工完成主孔后，在退钻时向下逐级施工分支孔。
5 顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术
成庄矿整体呈单斜构造，局部存在小规模的断层、凹陷及隆起，造成煤体在空间展布上出现波状起伏，在煤层凹陷处存在积水现象，导致抽采负压损失，降低瓦斯抽采率[9]。为解决这一难题，提出了顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术，即在煤层中施工排采积水的定向钻孔，在顶板施工抽采瓦斯的梳状定向钻孔，如图7所示。顶板孔向煤层施工分支孔，与煤层孔交叉，使2个方向的钻孔在空间上实现水-气流场联通，煤层孔排出积水后，降低了煤层积水压力，为顶板孔高效抽采瓦斯提供了有利条件。
图7 顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔布置
Fig.7 Distribution of combined comb-like directional boreholes of gas drainage on top and water drainage at bottom
成庄矿在5313工作面施工1组顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔，煤层孔累计进尺357 m，顶板孔累计进尺831 m，顶板孔施工5个分支孔进入煤层。抽采133 d后，平均百米钻孔瓦斯抽采纯量为0.062 4 m3/min，煤层孔累计出水1 343 m3后开始抽出瓦斯，较好地解决了煤层凹陷积水区域的瓦斯抽采问题。
6 结论
(1) 顺层递进模块式抽采技术利用定向钻机施工距离长、定位精准的特点，通过长时间、大范围抽采及与巷道掘进循环递进，实现了回采煤量和抽采煤量的良性接替。
(2) 顶板高位定向钻孔抽采技术具有抽采距离长、钻孔有效利用率高、钻孔层位稳定、瓦斯浓度高、抽采率高等特点，能够有效治理采空区瓦斯，减少上隅角瓦斯集聚。
(3) 煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术在煤层段开孔后，将主孔布置在成孔性较好的砂质顶板中，在主孔跨越柔软破碎煤体后再施工分支孔进入煤层，达到了跨越破碎煤体掩护下一阶段巷道掘进的目的。
(4) 顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术在煤层中施工积水排采钻孔，在顶板施工瓦斯抽采钻孔。顶板孔向下施工分支孔进入煤层，与煤层孔交叉，使上下2个方向的钻孔在空间上实现水-气流场联通，煤层孔排水降压，顶板孔抽采瓦斯，较好地解决了煤层积水区域瓦斯抽采问题。
(5) 成庄矿通过不断现场实践，形成了针对实体煤层的顺层递进模块式抽采技术、针对“U”型通风上隅角瓦斯集聚区域的顶板高位定向钻孔抽采技术、针对破碎煤层的煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术、针对煤层积水情况的顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术，建立了基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式，矿井瓦斯抽采率达60%以上。
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