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        復雜頂板巖層高位定向長鉆孔抽采瓦斯技術研究

        2021-05-12 05:49:58
        2021年5期
        關鍵詞:巖層高位定向

        王 佳

        (河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000)

        采空區(qū)瓦斯作為礦井瓦斯的主要來源之一,一直是煤礦瓦斯治理的重點和難點[1]。長期以來,我國煤礦治理采空區(qū)瓦斯常用的方法主要有地面鉆孔法、尾巷法、埋管法、頂板高抽巷法、普通高位鉆孔法等,雖然取得了不錯的治理效果,但普遍存在投資成本較高、維護費用大、抽采時間相對較短、管理困難等缺陷[2]。

        工作面推進后,后方的上覆巖層垂向上垮落形成“三帶”,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。隨著時間的延長,上覆巖層運動逐漸穩(wěn)定,中部的裂隙會趨于壓實而消失,而采空區(qū)四周邊緣由于受到煤柱的支撐作用,會形成一個存在大量裂隙、連續(xù)的瓦斯運移通道,即“O”形圈[3]?!癘”形圈能夠長期存在,其內(nèi)部裂隙中賦存大量瓦斯,該理論對抽采臨近層瓦斯治理提供了指導?;诟呶欢ㄏ蜷L鉆孔瓦斯抽采技術的原理:采用定向鉆進技術,將鉆孔施工至裂隙帶,導通“O”形圈裂隙,從而保證工作面回采過程中,高位定向長鉆孔始終處于裂隙帶范圍內(nèi),利用抽采負壓引流采空區(qū)瓦斯,進而達到降低工作面、上隅角和回風巷瓦斯?jié)舛鹊哪康腫4]。眾多學者對高位定向鉆孔做了大量研究:閆保永[5]通過對高位定向鉆孔與普通穿層鉆孔抽采效果的比較,得出“高位定向鉆孔抽采效果更顯著,有效孔段和抽采時間相對更長、抽采濃度更高”的結(jié)論;胡良平[6]分析了高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果主控因素及影響規(guī)律,提出了適用高位定向長鉆孔的條件;洪建俊[7]等在桃園礦復雜巖層中成功實現(xiàn)最大孔深為 956 m 的高位定向鉆孔,并取得了良好的瓦斯抽采效果,為高位定向長鉆孔技術的應用積累了寶貴經(jīng)驗。

        1 工作面概況

        大淑村礦172107工作面回采2號煤層,走向長677 m,傾斜長205 m,煤厚約5.4 m,煤層傾角平均23°,工作面呈東西向,橫跨于寬緩背斜(77′孔背斜)的傾伏端。背斜軸位于工作面中部,軸向NE5°,背斜西翼煤巖層走向NE40°-60°,傾向NW,傾角11°~32°,東翼煤巖層走向SE60°-100°,傾向NE為主,傾角14°~26°。

        工作面回采2號煤層,頂板巖層復雜,影響鉆孔施工:頂板巖層中賦存有煤線,煤質(zhì)比較松軟,以往施工過程中,受鉆具振動和沖洗液的共同影響,煤線容易垮落形成破碎帶,給施工帶來困難;且頂板巖層多為粉砂巖、細砂巖交互地層,鉆孔施工中粉砂巖近似于泥巖,存在縮徑或者塌孔的風險,粉砂巖中還含有菱鐵礦結(jié)核,造成鉆頭磨損;在斷層等構造帶處,巖層受到擠壓,巖石破碎,施工鉆孔穿過斷層時,易出現(xiàn)塌孔;地層沿推進方向為一背斜構造, 剖面上鉆孔為“∩”型,導致鉆孔部分孔段在目標層位中延伸時整體呈負角度走勢,影響鉆孔鉆屑的及時排出,不利于施工。

        2 工程應用

        2.1 高位定向長鉆孔參數(shù)設計

        鉆場布置在172107回風巷210號點處,鉆孔開孔時距工作面推采位置520 m。本次試驗設計施工4個高位定向長鉆孔,距回風巷分別為10 m、20 m、30 m和40 m。根據(jù)經(jīng)驗公式計算得,垂向上鉆孔布置層位為煤層頂板上方12~46 m處,內(nèi)距回風巷的水平距離8.7~68.3 m。

        2.2 鉆進設備

        工程采用回轉(zhuǎn)鉆進方法開孔、擴孔與定向鉆進方法施工鉆孔相結(jié)合的鉆進方法,所用的定向鉆機為ZDY12000LD,該鉆機內(nèi)的基本設備有控制室、防爆型計算機、泵車等,能夠使鉆孔在較硬巖層內(nèi)進行定向鉆進施工。在開孔段使用D89 mm螺旋鉆桿串+D120 mmPDC鉆頭組合,在擴孔段使用D89 mm螺旋鉆桿+D153 mmPDC鉆頭組合,下套管時使用D146 mm孔口管,下至穿過煤層。鉆頭采用D120 mm平底定向鉆頭,該類鉆頭硬度大且不易磨損,碾碎巖塊效果好,鉆進施工中,經(jīng)常與螺桿鉆具結(jié)合,同時在穿煤層后的孔段擴孔和主孔段施工完成以后使用擴孔鉆頭。

        在施工定向長鉆孔時,為保證實際軌跡按照預設軌跡進行施工,以6 m為測量步距監(jiān)測打孔參數(shù),發(fā)現(xiàn)軌跡偏離,立即糾偏。

        2.3 高位定向長鉆孔工程應用

        采用精確的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料注漿加固破碎帶、下套管技術等措施,克服了復雜巖層對施工的影響,共施工4個高位定向長鉆孔。

        1號鉆孔:開孔傾角10°,開孔方位85.2°,垂高距2號煤層頂板18 m,距離巷幫10 m,孔口段下套管護孔。鉆進至60 m處出現(xiàn)塌孔,根據(jù)巷道平面圖顯示,此處存在斷層,選擇采用專用封孔材料注漿穿過斷層破碎帶。在308~318 m處,鉆孔進入粉砂巖段,出現(xiàn)塌孔,無法通過,采用排渣能力強的外螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統(tǒng),成功穿過粉砂巖段。鉆進至378 m處,砂巖層恢復初始產(chǎn)狀,鉆孔高度距頂板約16.7 m,后保持在距頂板約17 m高度施工,鉆孔穩(wěn)定在砂巖中,終孔深度538 m,進入采空區(qū)。

        2號鉆孔:距離巷幫20 m,采用大角度開孔穿越1號煤線,鉆進至354 m,地層產(chǎn)狀發(fā)生變化,鉆孔進入粉砂巖段,出現(xiàn)塌孔。

        3號鉆孔:距離巷幫30 m,無法通過,采用螺旋鉆桿配合無線隨鉆測量系統(tǒng)成功穿過,終孔深度513 m,進入采空區(qū),設計高度在煤層上方30 m。

        4號鉆孔:終孔深度473 m,進入采空區(qū),該孔施工距離2號煤層頂板約35 m,平面距巷幫40 m。

        2.4 瓦斯抽采效果分析

        鉆孔施工結(jié)束后,及時進行接抽并實時監(jiān)測,連續(xù)記錄高位定向長鉆孔和之前普通高位鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù),并繪制鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量對比圖(圖1和圖2)。

        圖1 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

        圖2 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對比

        從圖1和圖2可以看出,172107工作面在回采初期高位定向長鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞勘绕胀ǜ呶汇@孔增加得慢,但是隨著工作面的不斷推進,高位定向長鉆孔導入裂隙帶的孔段增加,與采空區(qū)導通更加豐富,瓦斯抽采純量與抽采濃度不斷增加,并進入穩(wěn)定抽采期;而隨著工作面推進,普通高位鉆孔有效抽采孔段逐漸縮短,瓦斯抽采純量和抽采濃度均迅速進入低位,并持續(xù)在低位徘徊。在采用高位定向長鉆孔技術治理瓦斯之前,工作面推進至普通高位鉆孔交替段時,工作面瓦斯?jié)舛冉?jīng)常出現(xiàn)波動,瓦斯?jié)舛让黠@增大,現(xiàn)利用高位定向長鉆孔有效避免了鉆孔交替布置時出現(xiàn)的瓦斯?jié)舛仍龃蟋F(xiàn)象,保證了工作面安全回采。

        3 結(jié) 語

        1) 針對復雜巖層破碎帶、構造、地層負傾角等問題,采用精準的地層標定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料等技術,成功施工了高位定向長鉆孔,形成了復雜巖層高位定向長鉆孔施工工藝。

        2) 高位定向長鉆孔與普通高位鉆孔相比,抽采覆蓋范圍更廣,抽采時間更長,無瓦斯波動增大現(xiàn)象,可以替代普通高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯。

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