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        定向鉆孔消突技術(shù)應(yīng)用與效果檢驗(yàn)

        2021-07-04 02:52:48孫笑寒
        煤炭與化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:鉆機(jī)定向瓦斯

        孫笑寒

        (冀中能源股份有限公司 東龐礦,河北 邢臺(tái)054000)

        1 概 況

        冀中能源股份有限公司東龐礦東龐井位于河北省內(nèi)丘縣西南約10 km,礦井于1983年12月26日建成投產(chǎn),井田南北長(zhǎng)約8 km,東西寬約5 km,面積40.88 km2。井田西南以各小煤礦、局部以9號(hào)煤層露頭和F40斷層為界,西北及東北分別止于F2及F18斷層,東以F22、F19、F34斷層為界;東南止于F12斷層。礦井核定生產(chǎn)能力3.6 Mt/a,主采2號(hào)煤層,該煤層屬自燃煤層,有煤塵爆炸性;經(jīng)鑒定2號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

        21218工作面位于十二采區(qū),地面位置位于西永安村西南,工作面東北到北f331(DF12)斷層,東南到21220工作面采空區(qū),西南到12采區(qū)回風(fēng)巷。21218工作面切眼距離北f311斷層30 m,煤層賦存標(biāo)高為-518—-530 m。21218工作面切眼消突塊段包括外切眼、補(bǔ)軌道巷、切眼、皮帶巷(里段)。2號(hào)煤層平均厚度4.35 m。

        根據(jù)《冀中能源股份有限公司東龐礦2號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域劃分研究報(bào)告》,東龐礦的2號(hào)煤層第Ⅰ-Ⅳ瓦斯地質(zhì)單元判定為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū),第Ⅴ瓦斯地質(zhì)單元標(biāo)高-510 m以淺判定為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū),第Ⅴ瓦斯地質(zhì)單元標(biāo)高-510 m及以深判定為突出危險(xiǎn)區(qū)。21218工作面切眼塊段位于瓦斯地質(zhì)單元Ⅴ,標(biāo)高為-510—-540 m,因此,21218切眼塊段位于突出危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。

        2 定向鉆孔消突措施

        東龐礦于2020年購(gòu)置了ZDY4000LD(C)煤礦井下用履帶式全液壓定向鉆機(jī),該鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、適于中深孔鉆進(jìn)的履帶自行式定向鉆機(jī)。該鉆機(jī)具有技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、安全、可靠、移動(dòng)搬遷方便等優(yōu)點(diǎn),主要適用于煤礦井下大直徑中深瓦斯抽采孔及其它工程孔的施工。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》之規(guī)定及東龐礦對(duì)新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝推廣與應(yīng)用的需要,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)瓦斯地質(zhì)賦存情況和工作面布置,21218切眼塊段范圍,包括外切眼、補(bǔ)軌道巷、切眼、皮帶巷(里段)及其合圍的21218工作面回采區(qū)域,采取定向鉆機(jī)施工的“順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯”的區(qū)域防突措施。

        2.1 定向鉆孔設(shè)計(jì)

        在21218軌道巷A18點(diǎn)前37.38 m以里至巷道迎頭巷幫施工順層抽采鉆孔。鉆孔控制范圍:傾向上自21218工作面軌道巷到補(bǔ)軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側(cè)30 m起,到切眼右側(cè)30 m范圍內(nèi)的煤體。抽采鉆孔孔徑113 mm,終孔間距≤4.5 m。設(shè)計(jì)鉆孔51個(gè),孔深13~157 m,鉆孔量6 196 m,抽采時(shí)間不少于30 d,孔口負(fù)壓≥13 kPa。鉆孔采用定向鉆機(jī)施工。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 21218外切眼、補(bǔ)充軌道巷區(qū)域預(yù)抽鉆孔施工參數(shù)Table 1 Construction parameters of 21218 outer hole cutting and pre-pumping hole in supplementary track roadway area

        2.2 定向鉆孔施工

        設(shè)計(jì)鉆孔均采用ZDY4000LD(C)定向鉆機(jī)施工,該鉆機(jī)在鉆孔施工過(guò)程中能夠利用先進(jìn)技術(shù),通過(guò)鉆機(jī)配套的無(wú)磁鉆桿、探管在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示鉆孔參數(shù)、設(shè)計(jì)軌跡、實(shí)鉆軌跡等信息,通過(guò)對(duì)比分析實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡差別,調(diào)整螺桿馬達(dá)彎頭朝向,從而使得鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)軌跡施工實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn),確保了鉆孔間距滿足要求,并且布置均勻。

        鉆機(jī)固定好后調(diào)整鉆桿方位角、傾角,開(kāi)孔使用φ113 mmPDC復(fù)合片鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)5 m,換φ154 mmPDC擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔2 m,提鉆后下入防噴裝置,連接好除塵設(shè)施,再使用φ113 mmPDC復(fù)合片鉆頭定向鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深,拔桿后去掉防噴裝置,下入φ50 mm×1 800 mm抽放管及配套封孔囊袋,要求最前面3 m抽放管為花管,封孔囊袋固定在15 m和6 m位置(有特殊情況以設(shè)計(jì)為準(zhǔn)),再下入篩管,篩管盡量下至鉆孔最深處,最后使用膨脹水泥進(jìn)行固管。接好抽放管進(jìn)行后續(xù)接抽作業(yè)。

        3 瓦斯抽采及消突效果

        21218工作面位于12采區(qū),根據(jù)預(yù)抽鉆孔抽采前取煤樣實(shí)測(cè),21218工作面范圍內(nèi)最大原始煤層瓦斯含量為5.471 1 m3/t,預(yù)計(jì)21218工作面外切眼、補(bǔ)軌道巷(預(yù)抽后)掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量為2.5 mm3/min(風(fēng)排量)。

        2020年7月24日至2020年12月10日,在21218軌道巷A18點(diǎn)前37.38 m以里至巷道迎頭巷幫,由定向鉆機(jī)施工完成了51個(gè)預(yù)抽鉆孔,已由定向鉆機(jī)全部施工完畢,鉆孔施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等瓦斯異常現(xiàn)象,并采用視頻監(jiān)控手段檢查確認(rèn)鉆孔深度,按要求進(jìn)行了核查分析。鉆孔控制范圍:傾向上自21218工作面軌道巷到補(bǔ)軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側(cè)30 m起到切眼右側(cè)30 m范圍內(nèi)的煤體。抽采鉆孔孔徑113 mm,終孔間距≤4.5 m??咨?3~157 m,截止到2021年1月13日,所有預(yù)抽鉆孔已抽采滿30 d,且抽采負(fù)壓不低于13 kPa。利用定向鉆機(jī)先進(jìn)的技術(shù),21218工作面切眼塊段預(yù)抽鉆孔實(shí)際終孔間距在3.4~5.4 m,預(yù)抽鉆孔抽采時(shí)間均不少于30 d,滿足2號(hào)煤層在孔徑φ113 mm、抽采30 d條件下的瓦斯抽采,有效抽采半徑為3.5 m的要求。所有鉆孔布置均勻、施工長(zhǎng)度等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,符合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》有關(guān)要求。

        4 防突效果檢驗(yàn)

        4.1 效果檢驗(yàn)措施

        東龐礦于2021年1月14日-2021年1月25日,利用定向鉆機(jī)定向鉆進(jìn)技術(shù)按照設(shè)計(jì)于21218切眼塊段施工了5個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔,共18個(gè)效果檢驗(yàn)點(diǎn)。

        效果檢驗(yàn)點(diǎn)布置原則:區(qū)段寬度寬度未超過(guò)120 m,則沿工作面推進(jìn)方向每間隔30 m至少布置2個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。

        效果檢驗(yàn)孔采用ZDY4000LD(C)定向鉆機(jī)結(jié)合定點(diǎn)取樣裝置施工,取樣程序?yàn)殂@機(jī)施工至取樣點(diǎn)位置后,退鉆桿,重新采用定點(diǎn)取樣裝置,沿鉆孔軌跡施工至取樣點(diǎn)位置后取煤樣,即5個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔也實(shí)時(shí)進(jìn)行了軌跡測(cè)定。利用定點(diǎn)取樣裝置現(xiàn)場(chǎng)按要求取樣,并進(jìn)行了殘余瓦斯含量(或瓦斯壓力)等瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定。

        檢驗(yàn)鉆孔布置在措施孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短的位置。施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等瓦斯異?,F(xiàn)象,采用視頻監(jiān)控手段檢查確認(rèn)鉆孔深度,按要求進(jìn)行核查分析。安排專人現(xiàn)場(chǎng)取樣,進(jìn)行殘余瓦斯含量(或瓦斯壓力)、可解吸瓦斯含量等瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定,實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)實(shí)測(cè)值Table 2 Measured values of regional measures effect inspection indexes

        4.2 效果檢驗(yàn)結(jié)論

        東龐礦東龐井2號(hào)煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)相對(duì)瓦斯壓力臨界值為0.60 MPa,瓦斯含量臨界值為6 m3/t,以上所得相對(duì)瓦斯壓力、瓦斯含量臨界值可作為區(qū)域預(yù)測(cè)與區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)的臨界值。

        18個(gè)效果檢驗(yàn)點(diǎn)井下實(shí)測(cè)的煤體殘余瓦斯含量均小于6 m3/t,根據(jù)殘余瓦斯含量反算的殘余瓦斯壓力均小于0.6 MPa,且區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)鉆孔施工過(guò)程中,未出現(xiàn)頂鉆、卡鉆、鉆孔噴瓦斯等煤與瓦斯突出預(yù)兆。判定區(qū)域預(yù)抽防突措施有效,鉆孔覆蓋傾向上自21218工作面軌道巷到補(bǔ)軌道巷上30 m、走向上自外切眼左側(cè)30 m起到切眼右側(cè)30 m范圍內(nèi)的煤體為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

        防突效果檢驗(yàn)合格后,東龐礦對(duì)21218軌道巷切眼塊段進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè),期間未發(fā)生煤壁開(kāi)掉渣、片幫、響煤炮等突出征兆。

        5 結(jié) 論

        (1)定向鉆機(jī)擁有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),對(duì)比傳統(tǒng)鉆機(jī),最顯著的特點(diǎn)為定向鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的人工控制,可以保證鉆孔終孔位置符合設(shè)計(jì)要求,從而實(shí)現(xiàn)抽采期間沒(méi)有空白帶存在,符合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》相關(guān)規(guī)定,達(dá)到有效消突的目的。

        (2)通過(guò)利用定向鉆機(jī)對(duì)有瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域的煤層實(shí)施消突,可以為工作面安全掘進(jìn)提供可靠的保障,此方法為煤與瓦斯突出礦井的消突,特別是取消巖石底板瓦斯抽放巷道提供了有說(shuō)服力的依據(jù)。

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