黃陵礦區(qū)定向長鉆孔瓦斯預抽技術試驗研究

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)定向長鉆孔瓦斯預抽技術試驗研究

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交叉以及抽采范圍小、時間短,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行定向長鉆孔瓦斯抽采技術試驗。通過鉆機改進使鉆孔進尺平均提高115.9～220.3 m/d,有效提高鉆進施工效率;定向長鉆孔瓦斯抽采2 a后,1?！?＃鉆孔最低瓦斯抽采濃度仍達11.5%～15.3%,累計抽采瓦斯量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抽采效果較好,能夠達到超前區(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,部分掘進工作面最大瓦斯涌出量達到9.2 m3/min,采煤工作面絕對瓦斯涌出量達到近40 m3/min,相對瓦斯涌出量最大達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)地質構造復雜,煤層厚度較小,原有的非導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交叉;另外,原有鉆機功率較小,鉆孔孔徑較小、長度較短,鉆孔僅能覆蓋一個工作面,抽采時間短,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能夠按照設計的鉆孔軌跡進行定向鉆進,實時受控造斜和糾偏,實現(xiàn)全方位、長距離、長時間區(qū)域煤層瓦斯預抽,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,煤層結構簡單,僅在個別區(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)《礦井瓦斯涌出量預測方法AQ 1018－2006》預測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》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》等相關規(guī)定需要進行抽采。

2 中厚煤層長鉆孔設計與施工

2.1 定向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)確定

(1)預抽時間。合理預抽期受多種因素的影響,綜合考慮黃陵一礦預抽率和鉆孔工程量,結合黃陵一礦目前的采掘接替情況,將鉆孔布置間距設計為60 m,預抽期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,考慮到經濟因素,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行封孔,同時封孔段進行擴孔,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力集中帶,在負壓作用下,鉆孔通過裂隙與外部空間形成回路循環(huán),導致空氣經裂隙進入鉆孔內,從而降低瓦斯抽采濃度,縮短鉆孔瓦斯抽采時間,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時間,確定巷道卸壓帶、應力集中帶和原始應力帶的分布深度,從而確定合理的鉆孔封孔深度為9 m。

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

2.2 鉆孔布置

在309、310工作面巷道掘進前,在309進風巷道(即308工作面輔助巷)向309工作面和310工作面布置區(qū)域預抽鉆孔,距停采線40 m布置第一個鉆孔,之后每隔60 m布置一個鉆孔,孔深550 m,垂直于巷道布置,共施工48個鉆孔,以便對309工作面和310工作面進行有效抽采。鉆孔設計及布置如圖1所示。

圖1 309進風巷區(qū)域預抽鉆孔布置示意圖

2.3 鉆孔施工工藝及鉆機具改進

2.3.1 鉆孔施工工藝

在309進風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,?73 mm高強度中心通纜鉆桿和無磁孔底馬達,3NB－300型泥漿泵施工區(qū)域預抽鉆孔,采用二次成孔工藝,即先采用胎體式PDC鉆頭鉆進導向孔,再用擴孔鉆頭進行擴孔,以便更好地控制鉆孔軌跡。定向鉆進工藝流程如圖2所示。

(1)主孔成孔工藝。采用帶有1.25°彎角的螺桿馬達進行定向鉆孔施工時,整個鉆具不回轉,只有螺桿鉆具轉子帶動鉆頭回轉破碎巖石鉆進,現(xiàn)場技術人員根據(jù)設計軌跡及煤層具體狀況實時調整螺桿鉆具工具面向角,從而實現(xiàn)鉆孔軌跡受控精確定向的目的。

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

圖2 定向鉆進工藝流程

2.3.2 鉆機具改進

由于原有的YHD1－1000型鉆機隨鉆測量系統(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),通過鉆機改進,探管相較于原有的測量探管降低了電量衰減系數(shù),信號傳輸更為穩(wěn)定,省去了每施工完一個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致電池電量消耗過快,施工長距離鉆孔時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,邊施工鉆孔邊進行抽采。施工時以仰角鉆進,鉆進至設計層位后沿煤層鉆進至終孔。

在309進風巷道施工區(qū)域鉆孔試驗過程中,施工了1＃、2＃試驗鉆孔,兩鉆孔累計施工進尺2123 m,其中巖孔96 m,煤孔2027 m,煤孔所占比列高達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向鉆孔容易穿頂板或底板及造成抽采空白帶和重復交叉的問題。

1＃、2＃試驗鉆孔施工深度分別為1114 m、1009 m,施工時間分別為18 d、16 d,除去移鉆等工序0.5 d時間,平均進尺分別為63.7 m/d、65.1 m/d。通過鉆機改進、施工工藝優(yōu)化之后,鉆孔施工深度為543～568 m,所需時間2.5～3.5 d,除去移鉆等工序0.5 d時間,平均進尺181～284 m/d,平均進尺提高了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進風巷道在距切眼0～400 m范圍內共施工5個區(qū)域預抽鉆孔,抽采2 a后進行考察,1?！?＃鉆孔總瓦斯抽采純量及總累計抽采純量如圖3所示,1＃～5＃鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S時間變化如圖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抽采純量

圖4 1?！?＃鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?/p>

3.2 預抽前后煤層瓦斯含量及瓦斯壓力

309進風巷道距停采線0～400 m區(qū)域原始瓦斯含量為2.6 m3/t。經過抽采后,回采時距停采線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 結論

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

(2)對定向鉆機進行改進、優(yōu)化,鉆孔日進尺平均提高了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抽采效果較好,能夠達到超前區(qū)域治理瓦斯的目的。

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(責任編輯 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.

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TD712.6

A

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