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        興峪煤礦高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

        2022-09-14 09:01:06劉成軍
        山東煤炭科技 2022年8期
        關(guān)鍵詞:層位高位鉆機(jī)

        劉成軍

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)陽泉煤炭事業(yè)部,山西 陽泉 045000)

        1 工程概況

        興峪煤礦位于陽泉市盂縣,現(xiàn)采煤層為沁水煤田15 號(hào)煤,煤層厚度6.18~6.78 m,平均6.5 m,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t/a。根據(jù)綜合測試鑒定,15#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬不易自燃煤層,煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.31~0.4,透氣性系數(shù)為1.294~5.224 m2/MPa2·d,透氣性較差。15#煤層瓦斯含量為8.46~10.89 m3/t,瓦斯壓力為0.23~0.45 MPa。

        煤層回采工作面瓦斯涌出都以鄰近層為主、開采層為輔,其中,鄰近層瓦斯涌出占60.49%,開采層瓦斯涌出占39.51%,屬于高瓦斯礦井。

        目前礦井采取順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯,由于鉆進(jìn)裝備不具備定向功能,不能控制鉆孔軌跡,鉆孔施工過程中受地層條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響,鉆孔軌跡未按照設(shè)計(jì)成孔,導(dǎo)致工作面形成抽采空白帶。且不能確定抽采空白帶區(qū)域、規(guī)模,對(duì)礦井瓦斯治理造成難題。因此,開展15#煤層定向長鉆孔瓦斯治理技術(shù)研究[1-5],對(duì)保障煤層瓦斯治理水平和開采的安全性具有重要意義。

        2 高位定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

        2.1 鉆孔施工層位確定

        瓦斯高位鉆孔一般施工在裂隙帶內(nèi)的穩(wěn)定巖層內(nèi)。裂隙帶的高度按煤層高度的5 倍計(jì)算,15#煤的煤層高度為6.5 m,則裂隙帶高度為32.5 m。在高度范圍內(nèi)根據(jù)煤層上方巖層情況,選擇普氏系數(shù)小于8 的穩(wěn)定巖層作為鉆孔施工層位。距15#煤層33~39 m 范圍內(nèi)的粉砂巖層抗壓強(qiáng)度大于40 MPa,普氏系數(shù)為7.1,可作為本次定向鉆孔的施工層位。

        2.2 鉆孔參數(shù)確定

        (1)鉆孔深度及孔徑

        鉆孔的孔深主要與巖層情況、鉆機(jī)能力、瓦斯含量等因素有關(guān)。另外,鉆孔深度增大后,其鉆進(jìn)效率及瓦斯抽采效率都會(huì)隨之降低。興峪煤礦15508工作面傾向長度為180 m,走向長度為1500 m,鉆孔可按500 m 為間距,分為三段布置。為保證瓦斯抽放效果,綜合考慮各影響因素,確定鉆孔深度為500~700 m。15508 工作面布置方式如圖1。

        圖1 15508 工作面布置圖

        (2)鉆孔數(shù)量及間距

        根據(jù)以往采空區(qū)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn),高位定向鉆孔一般與巷道平行布置。考慮到鉆孔施工時(shí)相鄰鉆孔間會(huì)相互影響,為了保證施工進(jìn)度及鉆孔軌跡精度,高位鉆孔的間距需控制在5~10 m 之間,因此各鉆場的高位孔數(shù)量應(yīng)小于10 個(gè)??紤]現(xiàn)場實(shí)際條件,確定每個(gè)鉆場施工3 個(gè)鉆孔。

        根據(jù)通風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)推測,興峪煤礦15508 工作面在回采期間,其瓦斯最大涌出量為9 m3/min,其中60%為采空區(qū)內(nèi)的瓦斯。為提高抽放效果,設(shè)計(jì)布置3 個(gè)直徑為153 mm 的鉆孔,鉆孔間距為10 m,各鉆孔與回風(fēng)巷分別相距15 m、25 m 及35 m。其平面布置示意圖如圖2。

        圖2 高位定向長鉆孔平面布置示意圖(m)

        (3)鉆孔剖面布置形式

        高位鉆孔開孔位置一般選擇在同一條水平線上,即高度一致,若所開采煤層的走向趨勢無法確定,則鉆孔在剖面上可選擇上下分層布置,即布置兩排不同高度的鉆孔。興峪煤礦15508 工作面煤層走向不明,則其鉆孔布置形式采用上下分層布置,如圖3。

        圖3 高位定向長鉆孔在剖面分布

        2.3 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

        在15508 回風(fēng)巷布置3#鉆場,該鉆場共布設(shè)3個(gè)高位定向長鉆孔,1#、2#、3#鉆孔的終孔位置與15#煤層的垂直距離分別為22.8 m、20.0 m、17.1 m,具體鉆孔參數(shù)如下(軌跡圖如圖4 所示)。

        圖4 高位定向長鉆孔軌跡示意圖(m)

        (1)1#鉆孔

        鉆孔深度為510 m,鉆孔仰角為11°,開孔磁方位角為247°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方22.8 m 的位置,繼續(xù)鉆進(jìn)至510 m 深度期間,鉆孔均保持在該高度內(nèi)。由于1#鉆孔終孔層位的巖性為泥巖,鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆孔斷面縮小或塌孔現(xiàn)象,施工時(shí)需注意,并及時(shí)清理。

        (2)2#鉆孔

        鉆孔深度為510 m,鉆孔仰角為8°,開孔磁方位角為255°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方20.0 m 的位置,繼續(xù)鉆進(jìn)至510 m 深度期間,鉆孔均保持在該高度內(nèi)。由于2#鉆孔終孔層位的巖性為中粒砂巖,鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆頭磨損的情況,施工至該層位時(shí)需更換堅(jiān)固性較高的鉆頭及鉆具,保證鉆進(jìn)效率。

        (3)3#鉆孔

        鉆孔深度為510 m,鉆孔仰角為10°,開孔磁方位角為266°。設(shè)計(jì)鉆孔鉆進(jìn)100 m 后進(jìn)入15#煤層正上方17.1 m 的位置,繼續(xù)鉆進(jìn)至400 m 深度期間,鉆孔均保持在該高度內(nèi),由400 m 鉆進(jìn)至510 m 期間,終孔位置逐漸調(diào)整降低至35 m 的位置。由于3#鉆孔目標(biāo)層位的巖性為砂質(zhì)泥巖,鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)鉆孔斷面縮小或塌孔現(xiàn)象,施工時(shí)需注意,并及時(shí)清理。

        3 定向鉆進(jìn)裝備選型

        3.1 定向鉆機(jī)

        考慮到設(shè)計(jì)鉆孔的深度為500~700 m,屬于超深鉆孔,且孔徑為153 mm,相對(duì)較大,因此,需選擇鉆進(jìn)能力大,可采用大直徑鉆具的鉆機(jī)。另外,由于興峪煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜,煤層周圍存在多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造,加之頂板上方有多個(gè)泥巖層,強(qiáng)度較低,鉆孔成型質(zhì)量將會(huì)受到影響,因此,鉆機(jī)還需具備處理塌孔事故的能力。

        綜合考慮,最佳鉆機(jī)選擇方案為ZYL-17000D履帶式全液壓千米定向鉆機(jī)。

        3.2 泥漿泵車

        ZYL-17000D 履帶式千米定向鉆機(jī)配備Φ89 mm 五級(jí)螺桿鉆具,其功率較大,要求的泥漿流量不低于375 L/min。為了滿足大功率螺桿鉆具對(duì)泵壓和流量的要求,同時(shí),考慮井下運(yùn)輸搬遷要求,泵車需選擇較大流量的BLY390/12 型煤礦井下定向鉆進(jìn)用全液壓履帶泵車。

        3.3 螺旋鉆桿

        由于鉆孔孔徑較大,施工時(shí)需采用定向擴(kuò)孔工藝,同時(shí)可提升頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果。另外,由于興峪煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜,為避免鉆孔發(fā)生塌孔后無法處理,選型擴(kuò)孔鉆桿要具備復(fù)雜地層高效排渣的能力。經(jīng)過綜合分析和考慮,優(yōu)選Φ89 mm/73 mm 大通徑寬翼片螺旋鉆桿用于回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

        4 瓦斯抽采效果分析

        為評(píng)價(jià)高位定向長鉆孔方案及設(shè)備的瓦斯抽采效果,對(duì)15508 回風(fēng)巷各定向鉆孔的卸壓掏煤量及瓦斯抽采量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。各鉆孔掏煤量統(tǒng)計(jì)見表1。

        由表1 可知,定向鉆孔在興峪煤業(yè)實(shí)現(xiàn)了“掏的出”,掏煤卸壓半徑增大,掏煤量突破0.5 m3/m,有利于卸壓增透,溝通裂隙,提高了煤層的透氣性系數(shù),增加抽采范圍,提高抽采效果。

        表1 鉆孔掏煤量統(tǒng)計(jì)

        瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,高位定向鉆孔的初始最大抽采瓦斯?jié)舛葹?0.6%,初始最大純瓦斯量為0.66 m3/min,回風(fēng)巷鉆場累計(jì)抽采量63 473 m3??梢姴捎枚ㄏ蚋呶汇@孔后,工作面的瓦斯抽采量大幅提高,降低了作業(yè)環(huán)境的瓦斯含量,治理效果良好,有效保障了工作面的回采安全。

        5 結(jié)論

        (1)根據(jù)興峪煤礦15508 工作面的實(shí)際地層條件,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),確定出高位定向鉆孔施工層位為煤層頂板上方33~39 m 范圍內(nèi)的砂巖層,鉆孔深度為500~700 m,鉆孔間距為10 m,并對(duì)鉆孔布置及鉆孔軌跡進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

        (2)根據(jù)高位定向鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合巷道條件及地層條件,對(duì)定向鉆機(jī)、泥漿泵車、螺桿鉆具等定向鉆進(jìn)裝備進(jìn)行了合理選型。

        (3)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明,高位定向鉆孔的掏煤卸壓半徑增大,掏煤量突破0.5 m3/m,卸壓增透效果顯著;鉆場覆蓋范圍內(nèi)的瓦斯含量下降了0.258 m3/t,瓦斯治理效果良好,保證了礦井安全高效生產(chǎn)。

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