李 川

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西省延安市,727307)

黃陵礦區(qū)定向長鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)試驗(yàn)研究

李 川

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西省延安市,727307)

針對黃陵礦區(qū)目前非定向鉆孔煤層瓦斯抽采易穿頂板、底板,造成抽采空白帶和重復(fù)交叉以及抽采范圍小、時(shí)間短,無法超前治理瓦斯的問題,在黃陵一礦309工作面中厚煤層中進(jìn)行定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)試驗(yàn)。通過鉆機(jī)改進(jìn)使鉆孔進(jìn)尺平均提高115.9～220.3 m/d,有效提高鉆進(jìn)施工效率;定向長鉆孔瓦斯抽采2 a后,1＃～5＃鉆孔最低瓦斯抽采濃度仍達(dá)11.5%～15.3%,累計(jì)抽采瓦斯量64.7萬m3,煤層瓦斯含量及瓦斯壓力顯著降低,定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)抽采效果較好,能夠達(dá)到超前區(qū)域治理瓦斯的目的。

定向長鉆孔 瓦斯抽采 抽采參數(shù) 鉆孔布置 施工工藝 抽采效果

黃陵礦區(qū)煤層瓦斯賦存具有明顯的不均衡性,部分掘進(jìn)工作面最大瓦斯涌出量達(dá)到9.2 m3/min,采煤工作面絕對瓦斯涌出量達(dá)到近40 m3/min,相對瓦斯涌出量最大達(dá)8.5 m3/t。為了有效防治瓦斯,黃陵礦區(qū)采取了普通鉆孔預(yù)抽、邊采邊抽以及采后抽采等方式,取得了一定效果。但由于礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層厚度較小,原有的非導(dǎo)向普通鉆孔無法定位,容易穿頂板或底板,造成抽采空白帶和重復(fù)交叉;另外,原有鉆機(jī)功率較小,鉆孔孔徑較小、長度較短,鉆孔僅能覆蓋一個(gè)工作面,抽采時(shí)間短,沒有真正做到超前區(qū)域治理瓦斯。

定向長鉆孔區(qū)域抽采本煤層瓦斯技術(shù)能夠按照設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡進(jìn)行定向鉆進(jìn),實(shí)時(shí)受控造斜和糾偏,實(shí)現(xiàn)全方位、長距離、長時(shí)間區(qū)域煤層瓦斯預(yù)抽,對于大范圍降低煤層瓦斯含量,提高工作面瓦斯抽采率,緩減采掘接續(xù)緊張的矛盾,保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面概況

黃陵一礦309工作面位于北一大巷東翼,與北一大巷夾角70°,南為308工作面,北為310工作面。309工作面主采2＃煤層,煤層平均厚度2.4 m,屬中厚煤層,條帶狀亮煤,煤層結(jié)構(gòu)簡單,僅在個(gè)別區(qū)域分布一層夾矸,夾矸厚度0.1 m,夾矸巖性為泥巖。2＃煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖,厚度小于0.1 m,直接頂板為灰黑色泥巖,厚度6 m左右;底板為泥巖,厚度3 m左右,遇水膨脹,易底臌。309工作面走向長235 m,傾向長2860 m。根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法AQ 1018－2006》預(yù)測309工作面相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量分別為2.85 m3/t和17.81 m3/min,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定需要進(jìn)行抽采。

2 中厚煤層長鉆孔設(shè)計(jì)與施工

2.1 定向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)確定

(1)預(yù)抽時(shí)間。合理預(yù)抽期受多種因素的影響,綜合考慮黃陵一礦預(yù)抽率和鉆孔工程量,結(jié)合黃陵一礦目前的采掘接替情況,將鉆孔布置間距設(shè)計(jì)為60 m,預(yù)抽期700 d。

(2)封孔方式和合理封孔深度。黃陵礦區(qū)原采用的封孔方式以棉線類材料纏繞為主,如毛巾等。在施工過程中,考慮到經(jīng)濟(jì)因素,大多數(shù)施工毛巾長度不夠,致使封孔長度較短,封孔效果差,導(dǎo)致單孔抽采濃度大多低于30%。因此309工作面定向長鉆孔前后兩端用棉紗纏繞馬麗散,中間用注漿泵注新型封孔劑進(jìn)行封孔,同時(shí)封孔段進(jìn)行擴(kuò)孔,鉆孔施工完畢用3寸PVC管封孔,保證有效封孔深度不小于8.5 m。

合理的封孔深度對瓦斯抽采具有重要意義。如果封孔深度太淺,封孔長度不能超過巷道的應(yīng)力集中帶,在負(fù)壓作用下,鉆孔通過裂隙與外部空間形成回路循環(huán),導(dǎo)致空氣經(jīng)裂隙進(jìn)入鉆孔內(nèi),從而降低瓦斯抽采濃度,縮短鉆孔瓦斯抽采時(shí)間,甚至抽不到瓦斯。309工作面定向長鉆孔采用向巷幫打鉆的方法測定不同深度鉆進(jìn)時(shí)間,確定巷道卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶的分布深度,從而確定合理的鉆孔封孔深度為9 m。

(3)抽采負(fù)壓。在保證鉆孔封孔質(zhì)量的基礎(chǔ)上,適當(dāng)提高鉆孔負(fù)壓是提高抽采效果的有效措施之一,一般情況下,抽采負(fù)壓越大,抽采效果越好,但負(fù)壓過大會(huì)增加空氣量的漏入,而且瓦斯抽采泵提高抽采負(fù)壓也有一定的限度,因此需選擇一個(gè)合理的負(fù)壓值。根據(jù)黃陵礦在2＃煤層布置1＃～4＃測試鉆孔,考察其抽采負(fù)壓、抽采濃度及抽采純量,當(dāng)抽采負(fù)壓在15.3～20.8 k Pa時(shí),鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采純量有下降趨勢。因此,鉆孔瓦斯抽采負(fù)壓應(yīng)控制在10～15 k Pa。

2.2 鉆孔布置

在309、310工作面巷道掘進(jìn)前,在309進(jìn)風(fēng)巷道(即308工作面輔助巷)向309工作面和310工作面布置區(qū)域預(yù)抽鉆孔,距停采線40 m布置第一個(gè)鉆孔,之后每隔60 m布置一個(gè)鉆孔,孔深550 m,垂直于巷道布置,共施工48個(gè)鉆孔,以便對309工作面和310工作面進(jìn)行有效抽采。鉆孔設(shè)計(jì)及布置如圖1所示。

圖1 309進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域預(yù)抽鉆孔布置示意圖

2.3 鉆孔施工工藝及鉆機(jī)具改進(jìn)

2.3.1 鉆孔施工工藝

在309進(jìn)風(fēng)巷道采用煤科總院西安分院研制的ZDY6000LD煤礦用履帶全液壓鉆機(jī),?73 mm高強(qiáng)度中心通纜鉆桿和無磁孔底馬達(dá),3NB－300型泥漿泵施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔,采用二次成孔工藝,即先采用胎體式PDC鉆頭鉆進(jìn)導(dǎo)向孔,再用擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔,以便更好地控制鉆孔軌跡。定向鉆進(jìn)工藝流程如圖2所示。

(1)主孔成孔工藝。采用帶有1.25°彎角的螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆孔施工時(shí),整個(gè)鉆具不回轉(zhuǎn),只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石鉆進(jìn),現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡及煤層具體狀況實(shí)時(shí)調(diào)整螺桿鉆具工具面向角,從而實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡受控精確定向的目的。

(2)分支孔成孔工藝。采用螺桿鉆具進(jìn)行分支孔施工時(shí),根據(jù)施鉆地層狀況、設(shè)計(jì)要求和目的等不同,施工順序可分為前進(jìn)式和后退式兩種。不管采用何種方式,都存在從主孔中定向開分支孔(即側(cè)鉆)工藝技術(shù)。

圖2 定向鉆進(jìn)工藝流程

2.3.2 鉆機(jī)具改進(jìn)

由于原有的YHD1－1000型鉆機(jī)隨鉆測量系統(tǒng)存在組裝麻煩、電量消耗快、施工效率低等問題,將鉆機(jī)探管更換為新式探管,更新后的探管尾部不需要連接電池桿,改為由孔口監(jiān)測器直接輸送13 V直流電,并將原來的YHD1－1000型隨鉆測量系統(tǒng)升級(jí)為與之匹配的YHD2－1000(A)型孔口供電隨鉆測量系統(tǒng),通過鉆機(jī)改進(jìn),探管相較于原有的測量探管降低了電量衰減系數(shù),信號(hào)傳輸更為穩(wěn)定,省去了每施工完一個(gè)鉆孔都需要將電池管抬至地面拆卸充電,然后重新組裝使用的麻煩,排除了因人工組裝等因素導(dǎo)致電池電量消耗過快,施工長距離鉆孔時(shí)電池電量無法滿足施工需要,施工中途需退鉆充電的隱患,提高了施工效率。

2.4 定向長鉆孔施工

采用?73 mm的鉆頭開孔,鉆進(jìn)至3 m后,下套管封孔,封孔4 h后連接抽采管,邊施工鉆孔邊進(jìn)行抽采。施工時(shí)以仰角鉆進(jìn),鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位后沿煤層鉆進(jìn)至終孔。

在309進(jìn)風(fēng)巷道施工區(qū)域鉆孔試驗(yàn)過程中,施工了1＃、2＃試驗(yàn)鉆孔,兩鉆孔累計(jì)施工進(jìn)尺2123 m,其中巖孔96 m,煤孔2027 m,煤孔所占比列高達(dá)95.5%。1＃鉆孔上下偏移量0～1.2 m, 2＃鉆孔上下偏移量0～0.45 m,有效解決了中厚煤層中非導(dǎo)向鉆孔容易穿頂板或底板及造成抽采空白帶和重復(fù)交叉的問題。

1＃、2＃試驗(yàn)鉆孔施工深度分別為1114 m、1009 m,施工時(shí)間分別為18 d、16 d,除去移鉆等工序0.5 d時(shí)間,平均進(jìn)尺分別為63.7 m/d、65.1 m/d。通過鉆機(jī)改進(jìn)、施工工藝優(yōu)化之后,鉆孔施工深度為543～568 m,所需時(shí)間2.5～3.5 d,除去移鉆等工序0.5 d時(shí)間,平均進(jìn)尺181～284 m/d,平均進(jìn)尺提高了115.9～220.3 m/d,有效提高了鉆孔施工效率。

3 瓦斯抽采效果考察

3.1 瓦斯抽采濃度及抽采量

2011年2－4月選擇309進(jìn)風(fēng)巷道在距切眼0～400 m范圍內(nèi)共施工5個(gè)區(qū)域預(yù)抽鉆孔,抽采2 a后進(jìn)行考察,1?！?＃鉆孔總瓦斯抽采純量及總累計(jì)抽采純量如圖3所示,1?！?＃鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化如圖4所示。由圖3、圖4可知,1＃鉆孔瓦斯?jié)舛扔?8%降為15.3%,;2＃鉆孔瓦斯?jié)舛扔?9.09%降為12.64%;3＃鉆孔瓦斯?jié)舛扔?9%降為13.8%;4＃鉆孔瓦斯?jié)舛扔?8%降為13.8%;5＃鉆孔瓦斯?jié)舛扔?5.5%降為11.5%。1?！?＃鉆孔共累計(jì)抽采瓦斯量為64.7萬m3。

圖3 1?！?＃鉆孔瓦斯總抽采純量及累計(jì)抽采純量

圖4 1＃～5＃鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?/p>

3.2 預(yù)抽前后煤層瓦斯含量及瓦斯壓力

309進(jìn)風(fēng)巷道距停采線0～400 m區(qū)域原始瓦斯含量為2.6 m3/t。經(jīng)過抽采后,回采時(shí)距停采線90 m、210 m、320 m、420 m處所測的瓦斯含量分別為1.32 m3/t、1.29 m3/t、1.46 m3/t、1.36 m3/t,預(yù)抽率為42.29%～49.01%;瓦斯壓力分別為0.46 MPa、0.45 MPa、0.51 MPa、0.48 MPa。瓦斯壓力由原來的0.72 MPa降低到0.45～0.51 MPa,煤層瓦斯壓力顯著降低。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)出適合黃陵一礦309工作面中厚煤層的定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)工藝參數(shù),成功在中厚煤層條件下實(shí)施定向長鉆孔施工,鉆孔上下偏差滿足設(shè)計(jì)要求,有效解決了中厚煤層中非導(dǎo)向鉆孔容易穿頂板或底板,造成抽采空白帶和重復(fù)交叉的問題。

(2)對定向鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化,鉆孔日進(jìn)尺平均提高了115.9～220.3 m/d,有效提高了鉆孔施工效率。

(3)對309工作面進(jìn)行定向長鉆孔抽采2 a后,1＃～5＃鉆孔最低瓦斯抽采濃度仍能維持在11.5%～15.3%,1?！?＃鉆孔累計(jì)抽采瓦斯量64.7萬m3,瓦斯含量及瓦斯壓力顯著降低,定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)抽采效果較好,能夠達(dá)到超前區(qū)域治理瓦斯的目的。

[1] 聶百勝,胡守濤等.順層長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯防突技術(shù)在潘三礦的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012(12)

[2] 裴昌合,屈先朝.大直徑水平長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)在千秋煤礦的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(2)

[3] 王軍,魏國山等.大興礦頂板巖石水平長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦安全,2008(12)

[4] 謝生榮,溫百根等.頂板大直徑千米長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)[J].中國煤炭,2009(1)

[5] 高振勇,張志剛,尹斌.提高聚氨酯封孔質(zhì)量的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009(Z)

[6] 魏風(fēng)清,連少朋,張川.孟津煤礦順煤層抽采鉆孔合理封孔深度[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(6)

[7] 翟盛銳,聶百勝等.電磁輻射技術(shù)確定保護(hù)層采空區(qū)煤柱影響帶[J].煤礦安全,2007(5)

[8] 陳建忠,代志旭.瓦斯抽采鉆孔合理封孔長度確定方法[J].煤礦安全,2012(8)

[9] 許雙泉.鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯數(shù)值模擬及應(yīng)用[D].西安:西安科技大學(xué),2010

[10] 寧志勇,李勝.五陽煤礦低透氣性松軟煤層瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬[J].煤礦安全,2012(10)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Research on gas pre-drainage via directional long borehole drilling in Huangling mining area

Li Chuan
(Huangling Mining Group Co.,Ltd.,Yan’an,Shaanxi 727307,China)

Currently,non-directional drilling in coal seam for gas drainage in Huangling mining area is easy to drill the roof and the floor of coal seam through,and cause drainage in blank zone and repeated cross,as well as small drainage area and short drainage time,which makes the gas control in advance impossible.In view of this,the gas drainage trial by directional long boreholes was carried out in medium-thick coal seam at No.309 working face in No.1 Mine.In aid of the improvement of drill rig,the average penetration rate was increased by 115.9～220.3 m/d, effectively enhancing the drilling efficiency.After the gas drainage for two years,the minimum concentration of drained gas in No.1 to 5 boreholes was 11.5%～15.3%,total gas volume was up to 0.647 million m3,and the gas content and pressure in the coal seam were significantly reduced.The results showed that the gas drainage by directional long boreholes is satisfying and can achieve the goal of regional gas control in advance.

directional long boreholes,gas drainage,drainage parameters,layout of boreholes,construction technology,drainage effect

TD712.6

A

李川(1987－),男,陜西銅川人,畢業(yè)于河南理工大學(xué)安全工程專業(yè),助理工程師,現(xiàn)任陜西煤業(yè)化工集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司通風(fēng)部業(yè)務(wù)主管,主要從事礦井“一通三防”技術(shù)管理及推廣工作。