下峪口煤礦保護(hù)層開采水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)

吳 杰

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

開采保護(hù)層及鉆孔預(yù)抽卸壓是減少被保護(hù)主采煤層工作面瓦斯涌出量，解決瓦斯超限，防止主采煤層煤與瓦斯突出的一個有效方法。

陜西陜煤韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦為煤與瓦斯突出礦井，目前回采21218采煤工作面將2#煤層作為突出嚴(yán)重主采3#煤層的上保護(hù)層先行開采，當(dāng)2#煤層先行3#煤層開采時，底板卸壓導(dǎo)致裂隙發(fā)育，引起3#煤層瓦斯的大量卸壓逸散，隨著礦井開采范圍的擴大與開采深度的增加，礦井瓦斯涌出量整體表現(xiàn)出明顯增大的上升趨勢。目前采用的常規(guī)底板卸壓鉆孔存在工程量大、抽采效果差等問題，現(xiàn)采用井下定向鉆進(jìn)技術(shù)施工底板順層長鉆孔，進(jìn)行保護(hù)層開采水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究試驗，以期增大瓦斯抽放量，從源頭上治理瓦斯，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井概況及常規(guī)瓦斯抽采

1.1 礦井概況

下峪口煤礦位于陜西渭北石炭-二疊紀(jì)煤田東部邊緣，礦井可采煤層3層，分別為石炭二疊系山西組的2#、3#煤層和石炭系太原組的11#煤層。21218采煤工作面總體呈傾向SW，傾角2°～7°，平均4°的單斜構(gòu)造，該工作面2#煤厚0.2～1.5 m，平均煤厚1.0 m。工作面頂板依次為泥巖，泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，局部含0～0.5 m煤線；底板為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及分砂質(zhì)泥巖，局部含0～0.3 m煤線，底板8～10 m破碎帶較為發(fā)育，與3#煤的層間距平均為14 m。

下峪口煤礦歷年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果均為煤與瓦斯突出礦井，2#煤層作為主采3#煤層的上保護(hù)層進(jìn)行開采。礦井瓦斯涌出量總體表現(xiàn)出明顯增大的上升趨勢，在2#煤層保護(hù)層開采過程中若抽采工作不到位工作面頻繁出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，經(jīng)分析瓦斯來源主要為2#煤層賦存的瓦斯、回采期間采空區(qū)頂板垮落后產(chǎn)生的裂隙帶瓦斯、以及3#煤層卸壓瓦斯上涌至2#煤采空區(qū)。其中瓦斯涌出主要來自3#煤層，約占總的瓦斯涌出量的70%。

1.2 常規(guī)瓦斯抽采方式

以下峪口煤礦21218采煤工作面為例，工作面長約600 m，寬約160 m。目前采用本煤層、頂?shù)装宄椴摄@孔及采空區(qū)瓦斯抽放的“三位一體”綜合抽采模式，如圖1所示。目前工作面將本煤層、頂板及底板鉆孔采用聯(lián)抽方式進(jìn)行抽采，工作面全部常規(guī)鉆孔正常抽采期間單日瓦斯抽采純量一般為1 500 m3，工作面存在有瓦斯處于報警臨界值現(xiàn)象。

圖1 工作面“三位一體”抽采模式圖

工作面布置常規(guī)底板卸壓鉆孔時，從距切眼5 m處開始施工，每組5個孔，鉆孔間距1 m，單孔孔深為18～55 m，孔徑94 mm，進(jìn)順距切眼200 m范圍內(nèi)組間距5 m，進(jìn)順距切眼200 m至停采線范圍內(nèi)組間距15 m，共設(shè)計41組。因此僅常規(guī)底板鉆孔數(shù)量就高達(dá)205個，鉆探工程量約7 500 m。此外實踐表明，井下常規(guī)鉆機能力偏小，施工鉆孔長度短、孔徑小，且鉆孔工程量大，存在封孔不嚴(yán)，勞動強度大，預(yù)抽期較短等問題，由此造成礦井瓦斯抽采不能滿足礦井生產(chǎn)接續(xù)需要，導(dǎo)致礦井掘、抽、采失調(diào)。因此，引進(jìn)定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行保護(hù)層開采水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)，以期改進(jìn)目前的抽放工藝。

2 定向鉆探設(shè)備及工藝

2.1 施工機具

此次保護(hù)層開采水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采試驗施工設(shè)備采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的ZDY6000LD型定向鉆機及其配套設(shè)備。該型號定向鉆探設(shè)備廣泛應(yīng)用于煤礦地質(zhì)構(gòu)造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等方面[3-6]。其主要設(shè)備包含動力設(shè)備、配套鉆具及測量系統(tǒng)等部分，見表1。

表1 施工設(shè)備型號及用途

2.2 鉆探工藝

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使鉆孔軌跡按設(shè)計要求延伸至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎[5-7]。同時隨鉆測量儀器實時監(jiān)測鉆孔參數(shù)、鉆具姿態(tài)，進(jìn)而確定造斜工具的造斜延伸方向。

井下近水平定向鉆進(jìn)施工過程主要分為鉆前準(zhǔn)備、一開封孔、二開定向鉆進(jìn)3部分，具體鉆探工藝流程如圖2所示。

圖2 定向鉆進(jìn)工藝流程示意圖

螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)時整個鉆具不回轉(zhuǎn)，只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石鉆進(jìn)，實時調(diào)整螺桿鉆具工具面向角，實現(xiàn)鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進(jìn)時，原則上每3 m對鉆孔進(jìn)行一次參數(shù)測定，根據(jù)測定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，調(diào)整工具面，保證鉆孔按照設(shè)計軌跡和目標(biāo)層位鉆進(jìn)。

2.3 鉆孔實鉆軌跡

針對21218采煤工作面下部3#煤層瓦斯卸壓涌出引起瓦斯超限問題，本次試驗在21218進(jìn)風(fēng)斜巷平臺位置布置鉆場，向切眼方向施工底板順層水平長鉆孔，共設(shè)計定向鉆孔3個，單孔孔深為400 m，定向鉆孔目標(biāo)層位要求水平段距離21218采煤工作面進(jìn)順分別為10 m、25 m、55 m，與被保護(hù)層3#煤層頂板距離分別是8 m、6 m、4 m，定向鉆孔平面軌跡見圖3，鉆孔實鉆參數(shù)見表2。

圖3 定向鉆孔實鉆軌跡平面圖

孔號/號實鉆開孔方位/(°)實鉆開孔傾角/(°)水平段與順槽距離/m距離3#煤頂板/m實鉆孔深/m194.77-1.8108171新198.47-3.91082612115.37-9.22564023132.97-3554414

項目實際施工4個鉆孔，1號鉆孔施工過程中因孔內(nèi)塌孔卡鉆導(dǎo)致無法繼續(xù)鉆進(jìn)而提前終孔；新1號鉆孔在施工過程中，與21218順槽常規(guī)卸壓鉆孔及周邊裂隙發(fā)生導(dǎo)通出現(xiàn)較大的滲水現(xiàn)象；根據(jù)地層資料分析得出2#煤層下部8～10 m為巖層破碎帶較為發(fā)育，1號鉆孔的塌孔及新1號鉆孔的“串孔導(dǎo)水”現(xiàn)象是由于此破碎帶導(dǎo)通原巷道施工底板卸壓鉆孔所致。此層位施工定向鉆孔存在塌孔及鉆具滅失的風(fēng)險，由于與破碎帶及常規(guī)底板卸壓鉆孔有導(dǎo)通跑水現(xiàn)象，因此其后期抽采效果存疑。2號、3號定向鉆孔按照設(shè)計軌跡在目標(biāo)層位正常鉆進(jìn)，鉆孔施工完畢后連接瓦抽管路進(jìn)行抽采。

3 效果對比分析

3.1 定向鉆孔與常規(guī)鉆孔工藝對比

目前瓦斯抽采常用有2種鉆進(jìn)工藝方式，即常規(guī)鉆進(jìn)工藝及定向鉆進(jìn)工藝，通常常規(guī)的鉆進(jìn)有一定的局限性，存在著工作量大、勞動強度大的缺點；鉆探施工且需要巷道形成，施工及抽采工作較滯后；每一個孔都需要下管、安裝連抽管線、派人管理，輔助成本太大；此外鉆探施工與掘進(jìn)及回采工作交叉作業(yè)，頻繁搬遷，相互影響大，存在一定的安全隱患。相比井下常規(guī)鉆孔，定向鉆孔具有目的地層有效鉆進(jìn)孔深長、抽采效果好、人工勞動強度低、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢。

鉆孔軌跡可控：水平順層的瓦斯抽放定向鉆孔是通過調(diào)整鉆孔的方位和傾角，使鉆孔軌跡可控，增加了在目標(biāo)層中的延伸距離，最大限度地保障瓦斯抽放效果。

鉆場數(shù)少：定向鉆孔所需鉆場個數(shù)少，減少頻繁搬遷鉆機設(shè)備的次數(shù)，降低工人勞動強度。

鉆進(jìn)效率高：定向鉆孔的鉆孔有效距離長、鉆進(jìn)效率高、抽放效果好，與普通鉆孔相比，可大量縮減鉆孔工程量，可實現(xiàn)鉆孔瓦斯集中抽放。

覆蓋區(qū)域廣：定向鉆孔由于其具有定向的特點，可實現(xiàn)瓦斯超前治理，具有覆蓋區(qū)域廣、盲點少的特點。

3.2 瓦斯抽采效果分析

目前21218采煤工作面全部常規(guī)鉆孔正常抽采期間單日瓦斯抽采純量一般為1 500 m3，當(dāng)采面推采至定向鉆孔位置后，瓦斯抽采數(shù)據(jù)顯示2號定向鉆孔單日瓦斯抽采濃度最高達(dá)到89.75%，平均47.3%；流量最高為4.24 m3/min，平均2.1 m3/min，單日瓦斯抽采純量最大達(dá)到2 200 m3。3號定向鉆孔單日瓦斯抽采濃度最高達(dá)92.6%，平均56.08%；流量最高為7.23 m3/min，平均4.03 m3/min，單日瓦斯抽采純量最大達(dá)到5 600 m3。

從抽采數(shù)據(jù)分析，定向鉆孔抽采效果明顯好于常規(guī)鉆孔；且相比2號定向鉆孔，3號定向鉆孔抽采效果更明顯。

4 結(jié)語

下峪口煤礦保護(hù)層開采水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究項目的實施，是煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采在韓城礦區(qū)的應(yīng)用首例。研究結(jié)果表明，定向水平長鉆孔相比常規(guī)底板卸壓鉆孔抽采方式的抽采效果明顯，且靠近被保護(hù)煤層的定向鉆孔抽采效果更好。本項目成果同時為煤礦井下保護(hù)層開采中工作面瓦斯超限問題提供了有效的解決途徑，為工作面的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。