寇 龍
(山西晉能控股集團(tuán)有限公司,山西 晉城 048006)
岳城煤礦井田面積13.806 km2,可采煤層為3號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤層,現(xiàn)開采3號(hào)煤層,15號(hào)煤層配采工程正在進(jìn)行延伸。3號(hào)煤利用定向鉆機(jī)實(shí)施區(qū)域模塊遞進(jìn)式鉆孔抽采,同時(shí)利用普通鉆機(jī)在掘進(jìn)巷道正前及順層施工密集鉆孔抽采,對(duì)采掘工作面區(qū)域?qū)嵤┤采w抽采。但在15號(hào)煤施工普鉆及定向鉆孔時(shí)遇到了塌孔、壓鉆、見矸等問題,成孔困難,嚴(yán)重制約了岳城煤礦15號(hào)煤的瓦斯治理。
為了解決15號(hào)煤瓦斯治理難題[1-2],岳城煤礦引進(jìn)了ZDY12000LD定向鉆機(jī),經(jīng)過不斷優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)、合理選擇鉆具、改進(jìn)施工工藝,目前ZDY12000LD鉆機(jī)在岳城煤礦取得了重大突破,平均單孔主孔深度達(dá)到了300 m以上,單孔日抽放量最高達(dá)到了1.2萬m3。
15號(hào)煤堅(jiān)固性系數(shù)1.03~1.18,瓦斯放散初速度為40.7,最大相對(duì)瓦斯壓力0.43 MPa,瓦斯含量11.39~15.36 m3/t,鉆孔瓦斯衰減系數(shù)為0.035 1 d-1,煤層透氣性系數(shù)為6.133 m2/MPa2·d,無煤塵爆炸性,自燃傾向性為Ⅱ類。2021年4月對(duì)15號(hào)煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性鑒定,鑒定結(jié)果為無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。
岳城煤礦組織專業(yè)人員分別到胡底煤業(yè)、寺河礦、趙莊煤業(yè)、長平公司重點(diǎn)針對(duì)定向鉆機(jī)在酥軟煤層中的先進(jìn)施工技術(shù)及工藝進(jìn)行了調(diào)研,結(jié)合15號(hào)煤的特點(diǎn)隨后確定了ZDY12000LD型定向鉆機(jī)的鉆具選擇:Φ89 mm螺旋刻槽鉆桿;Φ120 mm鉆頭,Φ89 mm螺旋螺桿馬達(dá);無線泥漿脈沖測量系統(tǒng)。
(1)封孔工藝改進(jìn)
針對(duì)15號(hào)煤煤體破碎排渣不利這一現(xiàn)狀,將原有159 mm封孔管改為200 mm封孔管,封孔長度10 m改為封孔15 m。千米鉆孔封孔示意圖如圖1。
圖1 千米鉆孔封孔示意圖(m)
(2)煤體注漿固化
由于現(xiàn)有巷道輪廓線外20 m范圍內(nèi)已抽采達(dá)標(biāo),經(jīng)過抽放后該區(qū)域煤體酥碎,形成破碎帶,不利于定向鉆孔成孔。針對(duì)施工過程中孔口煤體破碎導(dǎo)致無法鉆進(jìn)這一現(xiàn)狀,該礦對(duì)鉆場周邊煤體進(jìn)行噴漿,噴漿厚度100 mm,隨后進(jìn)行煤層注漿加固,利用普通鉆機(jī)布置6個(gè)煤體注漿鉆孔,孔深40 m左右,漿液為水泥加速凝劑混合,凝固后再開孔,有效防止煤壁裂隙漏水和負(fù)壓短路等問題。注漿鉆孔平面布置如圖2。
圖2 巷道正前及鉆場北幫注漿孔平面布置示意圖(m)
(3)鉆場改進(jìn)
相比于原有鉆場巷道設(shè)計(jì),此次施工提前將15號(hào)煤東軌道大巷八鉆場進(jìn)行起底1 m,并將底板使用水泥進(jìn)行固化,相比于下行鉆孔返渣不利,ZDY12000LD定向鉆機(jī)臥底更便于排水、排渣和施工。上行鉆孔施工剖面布置如圖3。
圖3 上行鉆孔施工剖面布置示意圖
(4)施工工藝改進(jìn)
大膽嘗試復(fù)合鉆進(jìn)工藝:遇塌孔、軟煤出煤量大、壓力異常等情況時(shí),選擇“旋轉(zhuǎn)+拉拔式”洗孔排渣工藝,充分發(fā)揮刻槽鉆桿的優(yōu)越性,充分排渣,直至壓力正常后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。
精確掌握鉆孔軌跡:每個(gè)定向鉆孔打印出設(shè)計(jì)全孔長度的預(yù)定頂、底和方位軌跡(每個(gè)鉆孔一個(gè)設(shè)計(jì)圖本),每班鉆機(jī)司機(jī)在井下填繪,上井后在接班室根據(jù)實(shí)際軌跡填繪,若施工出現(xiàn)偏差由抽采隊(duì)技術(shù)人員重新調(diào)整施工角度,避免現(xiàn)場鉆孔與設(shè)計(jì)偏差過大。
15號(hào)煤東軌道大巷八鉆場設(shè)計(jì)3個(gè)千米鉆孔,設(shè)計(jì)孔深均為320 m,孔間距1 m,開孔高度1.8 m。
圖4 15號(hào)煤東軌大巷八鉆場千米鉆孔示意圖(m)
15號(hào)煤東軌道大巷八鉆場1號(hào)鉆孔于2021年9月10日開始開孔,9月22日施工完畢退鉆。1號(hào)孔開孔高度1.9 m,距頂板1.5 m,開孔方位角1.8°,開孔傾角1.9°,主孔孔深324 m,單孔長度創(chuàng)岳城煤礦15號(hào)煤定向長鉆孔之最。同時(shí),1號(hào)孔施工有4個(gè)探頂分支,鉆孔孔深累計(jì)779 m。1號(hào)孔施工成功后又利用同樣的工藝,先后施工了2、3、4號(hào)孔,主孔孔深均在300 m以上。
岳城煤礦已施工完成的5個(gè)千米鉆孔抽采純量高達(dá)10 m3/min,抽采濃度平均75%,地面泵站抽采濃度由原來的37.5%上升至39.5%左右,整體濃度提升2%。與普鉆施工相對(duì)比,在15號(hào)煤施工一個(gè)140 m的普鉆鉆孔從施工完成至抽采達(dá)標(biāo)平均抽采純量為0.25 m3/min,施工40個(gè)普通鉆孔抽采純量才能達(dá)到10 m3/min,需施工5600 m進(jìn)尺,但利用ZDY12000LD鉆機(jī)施工定向長鉆孔可減少4296 m進(jìn)尺。岳城煤礦ZDY12000LD鉆機(jī)在減少抽采進(jìn)尺的前提下, 真正實(shí)現(xiàn)了抽采效果的提升。
(1)鉆孔在施工初期探頂傾角太大而煤層走向較平緩,導(dǎo)致鉆孔進(jìn)入頂板后再進(jìn)入煤層困難,下探煤層時(shí)施工俯角大導(dǎo)致鉆孔上下落差較大,使鉆孔排渣阻力大以及后期抽采放水十分不利,從而影響抽采效果。
改進(jìn)措施:鉆機(jī)司機(jī)在調(diào)整孔底馬達(dá)工具面角度時(shí)必須精確,必須對(duì)孔底馬達(dá)施工傾角及方位角在煤層中變化角度預(yù)判到位,防止因角度變化太多導(dǎo)致鉆孔進(jìn)入到煤層底板或頂板距離太長導(dǎo)致再次進(jìn)入煤層困難,造成巖孔段太多、煤孔段少,或者鉆孔施工上下落差大,成孔效果不理想。
(2)1號(hào)鉆孔在施工至225~234 m孔段處遇軟煤和破碎層,導(dǎo)致憋泵、無法送入水并且有壓鉆現(xiàn)象,經(jīng)過長時(shí)間的旋轉(zhuǎn)拉拔沖孔以及退桿再送桿依然無法繼續(xù)鉆進(jìn),然后退至預(yù)留分支點(diǎn)開分支,再施工至225~234 m孔段處沿頂板與煤層交界處,比原上下位置高出1 m左右順利打過軟煤和破碎層。
改進(jìn)措施:施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行探頂,合理預(yù)留分支點(diǎn),摸清楚煤層走向及軟、硬煤分布情況,并在鉆孔軌跡圖上標(biāo)出軟煤及破碎區(qū),然后盡量沿頂板下方1 m范圍內(nèi)硬煤層施工,防止鉆孔再次進(jìn)入破碎軟煤區(qū)或夾矸層,導(dǎo)致憋泵無法鉆進(jìn)。
(3)鉆孔在施工過程中,經(jīng)常出現(xiàn)返渣堵塞排渣管路與孔口五通的情況。
改進(jìn)措施:施工2號(hào)孔時(shí)將Φ159 mm封孔管更換為Φ200 mm封孔管,孔口五通下方Φ108 mm排渣口更換為Φ159 mm排渣口,將Φ108 mm排渣管更換為Φ159 mm排渣管,將排渣管路從孔口至抽氣罐的長度縮短并吊掛平直,嚴(yán)禁出現(xiàn)拐急彎現(xiàn)象,從而擴(kuò)大鉆孔排渣通道,減少排渣阻力,避免因返出煤塊顆粒大堵塞排渣管路等異常情況發(fā)生。
隨著岳城煤礦15號(hào)煤ZDY12000LD鉆機(jī)的成功運(yùn)用,15號(hào)煤區(qū)域防突措施改用定向鉆機(jī)施工長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯(如圖5)。
每輪掘進(jìn)將由原來的100 m延伸至300 m,可少施工2個(gè)聯(lián)絡(luò)橫川及4個(gè)鉆場,掘進(jìn)效率提升10%,人員工效減少投入192個(gè)工,起到了降本增效的目標(biāo)。