引言
煤矿在开采过程中，尤其是突出煤层在石门揭煤的过程中，工作面突出的概率大、风险高。一旦发生煤与瓦斯突出事故，造成的影响和危害都很大，严重影响煤矿的正常安全生产。因此，如何进行瓦斯防治工作，减小石门揭煤时煤与瓦斯突出的概率，降低突出的风险，成为国内外学者研究的课题。以某煤矿回风大巷石门揭３号煤层为工程背景，针对石门揭煤工作面采用传统普通钻机打孔抽采区域防突措施时，存在施工成本高、工程量大、抽采时间长、瓦斯利用率低等问题，进行了基于定向长钻孔瓦斯综合防突措施的石门揭煤技术实践。
1.定向钻孔在矿井瓦斯治理中的必要性
瓦斯突出是威胁矿井安全生产的重要因素之一，也严重威胁着工作人员的生命安全，一旦发生瓦斯突出事故，将会造成巨大的经济损失。不同区域的瓦斯来源不同，工作面瓦斯主要来源于临近煤层及采煤过程的瓦斯涌出，采空区瓦斯主要来源于临近岩层及工作面瓦斯的释放。根据已有研究，巷道上隅角瓦斯体积分数往往较高，这是由于瓦斯密度低于空气密度，因此上隅角更容易积聚瓦斯。为此，众多学者对上隅角瓦斯进行了研究，从理论到实践均提出了可行性方案，但考虑到煤层地质条件的复杂性和瓦斯赋存、涌出量的不同，不同矿井的上隅角瓦斯治理均有差异。基于已有学者的研究和其他矿井的实际经验，结合矿井实际情况和之前的施工经验，提出了大直径定向钻孔技术方案，实现以孔代巷，有效治理了上隅角瓦斯，应用效果良好。
2.定向钻孔在矿井瓦斯治理中的应用
2.1定向钻孔
1）常规的瓦斯抽采钻孔存在钻孔工程量大、作业人员劳动强度高等问题，为此提出采用定向长钻孔对3206综采工作面回采期间底板5号煤层卸压瓦斯进行拦截抽采。定向长钻孔可精准控制钻孔施工层位，避免抽采盲区并实现长距离抽采目的。2）在3206综采工作面应用定向长钻孔抽采瓦斯期间钻孔瓦斯抽采纯量平均为4.13m3/min，抽采量是原穿层钻孔的25.8倍，瓦斯拦截效果较好。通过在3206综采工作面2号煤层底板下方7m位置布置定向钻孔后，采面回风巷、回风隅角瓦斯浓度均控制在0.27%、0.48%以内，可确保采面后续回采安全。
2.2定向长钻孔瓦斯抽采技术
分别在回风大巷南掘巷道内距马头门50m和80m处布置2号和3号定向千米钻场,此处距煤层法向距离为20m,距离预计揭煤区域分别为220m和190m｡在2号､3号定向千米钻场施工穿层千米钻孔,对回风大巷揭煤区域所处的区段煤层进行穿层钻孔预抽,抽采该区段煤层瓦斯进行区域防突｡针对该揭煤区域所处的区段煤层共施工12km钻孔进行预抽｡2号定向千米钻场共布置6个钻孔,10条分支;3号定向千米钻场共布置4个抽放钻孔,6条分支｡揭煤钻孔长500m,钻孔分支间距5m,覆盖巷道两侧20m｡提量钻孔长500m,钻孔间距为20m｡2号定向千米钻场揭煤钻孔工程量约为5.0km,提量钻孔工程量为7.5km,总工程量12.5km｡3号定向千米钻场揭煤钻孔工程量约为5.0km,提量钻孔工程量2.5km,总工程量7.5km｡2号､3号定向千米钻场揭煤钻孔要求从开始施工起25d内施工完成,提量钻孔要求开始施工起35d内完成｡定向千米钻场施工的钻孔均为穿层钻孔,钻孔设计前100m施工矸孔,100~500m施工煤孔,在3号煤层内施工分支孔｡在施工190~235m处是揭煤点附近30m位置需增加1次探顶、探底。
2.3定向长钻孔瓦斯抽采技术
近年来我国出现了顶板定向长钻孔抽采采空区瓦斯技术，该技术是通过在煤层顶板布置钻孔，利用工作面回采时顶板产生的裂隙来抽采采空区瓦斯，达到“以孔代巷”的目的，并对该技术进行了大量研究。对定向钻机在高位定向钻孔施工技术方面进行了阐述；利用定向钻机装备进行了煤层顶板定向长钻孔施工，研究了定向钻孔在上隅角瓦斯抽采中的应用；采用数值模拟方法对顶板高位定向长钻孔的合理布置层位进行了研究；根据“Ｏ形圈”理论，通过对比分析不同布孔高度定向长距离钻孔的瓦斯抽采数据及效果，得出布置定向钻孔的最佳高度；利用Fluent数值模拟软件研究了顶板走向长钻孔间距和数量对瓦斯抽采效果的影响；采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法，研究了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制；定量指出综放工作面采空区覆岩断裂带分布范围，并对高位定向钻孔的合理布置参数进行了优化设计。综上所述，前人采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法，对定向长钻孔的抽采效果、布孔参数、抽采机理进行了研究，但是研究对象多为单一煤层，对近距离煤层群开采条件下定向长钻孔抽采的研究较少。采用数值模拟方法研究工作面回采后对邻近层的影响，采用理论计算方法得出钻孔的合理布置位置，试验分析了抽采效果。
3.定向钻孔在矿井瓦斯治理中的注意事项
1）健全打钻视频监控系统。所有区域预抽钻孔施工地点实现“一钻一视频”，对开钻、封孔注浆、防喷装置使用、起钻、收尺、下套管、验收等所有环节，做到全过程监控监督。2）合理调控钻进速度。钻孔钻进过程中，钻机司机随时根据地质情况、孔内瓦斯情况、孔内返水返渣情况，调控钻进速度，高效处理喷孔、塌孔、堵孔、卡钻等问题。3）轨迹精准控制。通过管理技术人员对钻孔数据分析、对操作司机培训、日常监督指导打钻，提升钻机操作技能水平，做到精准控制定向钻孔轨迹。所施工钻孔轨迹趋于平滑，避免出现急弯、“锅底”、“驼峰”，选择分支点位置合适，尽量使上行孔不形成存水孔段，下行孔不形成间段存水孔段，减少堵孔诱发喷孔的风险。4）洗孔除渣环节考核。通过视频监控、过程监督、制度考核、结果导向、效果考察等管理方式手段，强化钻孔洗孔除渣环节，防范钻孔通道冲洗除渣工序执行不到位，造成钻渣积淤堵孔诱发喷孔。由于定向钻孔位于待采煤层顶板中，除了可用于顶板裂隙卸压瓦斯抽采通道，还可用于工作回采前顶板岩层探放水，实现“一孔多用”，从而降低了探放水作业成本。实现卸压瓦斯“变害为宝”，增加了清洁能源供给、减少了温室气体排放量和巷道掘进产生的废弃矸石量，资源效益、环境效益、经济效益显著。在高瓦斯、煤与瓦斯突出和受水患威胁的中大型矿井具有广阔应用前景，还可用于煤矿井下大直径工程钻孔、煤层定点密闭取心钻孔、救援钻孔、公路隧道和铁路隧道超前勘探钻孔施工等方面。
结束语
随着回采过程中钻场与工作面的距离不同，顶板定向长钻孔抽采可以分为3个阶段：增长阶段、稳定阶段、衰减阶段，且稳定阶段抽采距离较长。增长阶段和衰减阶段抽采效果有所降低，分析认为是由于断裂带范围未发展到顶板定向长钻孔位置和钻孔高度降低后钻孔完整性遭到破坏而导致的，可采取辅助措施对这两个阶段的邻近层和采空区瓦斯加强抽采。
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