高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術應用

侯國培，郭昆明，岳茂莊，王依磊

(1.山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)公司，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

在煤炭行業(yè)發(fā)展陷入低迷的時期，提高瓦斯治理效率，促進安全生產成為越來越重要的研究課題。隨著定向鉆進技術在國內的推廣應用，利用高位定向長距離鉆孔代替高位鉆場頂板穿層鉆孔治理采空區(qū)和上隅角的瓦斯，取得了明顯的抽采效果。根據“O形圈”理論[1]，對鉆孔終孔高度進行合理布置，并對比分析了高位定向長距離鉆孔和頂板普通高位鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?、不同終孔高度變化對高位長鉆孔抽采效果的影響。對比分析高位定向長鉆孔和頂板高位鉆場穿層鉆孔的瓦斯抽采效果，證明了前者的抽采效果更佳。

1 地質概況

山東唐口礦630回采面內的3上煤層位于山西組中部。下距3下煤層0～46.74m，平均20.51m。全區(qū)除合并區(qū)外，均有分布，全部可采(可采系數(shù)為 100%)，結構較簡單，一般不含夾矸，有時含 1～2層夾石，厚度變化為 2.10～6.51m，平均4.11m。在F2斷層以東煤層由2.38m向合并區(qū)逐漸變厚，煤層厚度變化比較均勻；在F2斷層以西、南北合并區(qū)之間，煤厚變化在2.10～6.51m之間，具有薄厚相間的一定變化，屬較穩(wěn)定～穩(wěn)定煤層。頂板主要為粉砂巖，少部分為中、細砂巖；底板為泥巖。

2 鉆孔設計

2.1 “O形圈”理論以及“三帶”高度確定

煤層開采過程中會影響上覆巖層，在走向上上覆巖層出現(xiàn)明顯的“O形圈”特征，從上往下巖層依次是彎曲下沉帶、裂隙帶、垮落帶，采空區(qū)“三帶”高度的劃分與回采面的厚度、開采方式、上覆巖層的巖性等基本參數(shù)有關[2]，采空區(qū)三帶高度的計算公式見表1。

表1 采空區(qū)三帶高度的計算公式

根據唐口煤業(yè)630采區(qū)的地層綜合柱狀圖以及普通鉆孔的可鉆性分析可知，唐口煤業(yè)3#煤層頂板的直接頂為泥巖，較軟；基本頂為中砂巖、泥巖和粉砂巖，硬度不高；基本頂和直接頂?shù)暮穸戎痛笥?0m，參照表1，選擇中硬巖性作為計算公式。因此，高位鉆孔高度Hz應該滿足下列條件：

Hm

唐口煤礦630采區(qū)的3#煤層厚度9.10～10.10m，平均厚度為10.08m，根據上述理論計算得出其冒落帶高度Hm=11.4～16.4m，裂隙帶高度Hl=20.6～33.6m，因此高位鉆孔的高度取值為：16.4m

2.2 頂板高位鉆孔橫向間距設計

基于前述的采動裂隙“O形圈”理論[3-9]，隨著回采面的發(fā)展，裂隙帶逐漸向靠近煤壁的地方轉移，而采空區(qū)中部逐漸被重新壓實，從而形成了一個采空區(qū)周邊連通的離層裂隙發(fā)育帶。高位定向長距離鉆孔抽采瓦斯的原理即是將鉆孔布置在這個裂隙發(fā)育的區(qū)域，通過抽采采空區(qū)、上隅角經裂隙發(fā)育場向上運移的瓦斯，降低采面瓦斯的濃度，以達到安全高效生產目的。參照上述理論分析，在進行高位鉆孔設計時，鉆孔的高度方向上按裂隙帶發(fā)育范圍設計參數(shù)，而鉆孔的水平方向上則需參照煤礦的實際情況而定。參照唐口煤業(yè)6306工作面的實際情況，為便于瓦斯的抽采，將高位鉆孔距回風巷中線的平距確定為小于15m范圍內。

2.3 鉆孔布置

通過對高位鉆孔終孔位置的理論計算以及水平方向平距的確定，并結合630工作面頂板不同巖層的巖性特征和普通高位鉆孔的經驗，在高度方向上，1#鉆場的3組高位鉆孔目標層位分別選擇在中砂巖、粉砂巖和細砂巖這種巖石較硬并且強度較高的巖層中，以利用鉆孔孔壁的穩(wěn)定。此外，由于高位定向鉆孔長度(400～600m)較普通高位鉆孔(100m)長很多，為延長每組鉆孔服務期限，盡量將各組鉆孔水平方向上的位置靠近回風巷一側，3組鉆孔均控制在12m以內。

由此再根據630工作面及運輸巷的情況，6306工作面設計施工6組鉆孔，其中6306工作面K0+600m鉆場(1#鉆場)的3組主孔設計深度為500m。3個主孔距開孔點的目標高差分別設置為40m、36m、28m。鉆場3個主孔水平方向上距6306運輸巷巷道輪廓線分別為1m、4.5m、9m。

2.4 鉆孔軌跡設計

鉆孔施工位置為6306工作面K0+600m處，各鉆孔設計施工參數(shù)見表2。1#鉆場鉆孔的設計軌跡如圖1所示。

2.5 下套管設計

為了解決煤巖層界面處鉆孔穩(wěn)定性的問題，特地采取下套管的方法進行解決。具體設計：在每個鉆孔施工到煤巖交界處，再繼續(xù)施工10m左右，然后退鉆下套管越過煤巖交界10m范圍，封孔注漿、候凝，進行下一步的施工。

表2 鉆孔設計施工參數(shù)

圖1 1#鉆場鉆孔設計示意圖

3 現(xiàn)場試驗

3.1 定向鉆機性能參數(shù)

唐口礦高位鉆孔施工采用ZYWL-6000DS型定向鉆機，具體性能參數(shù)見表3。

表3 ZYWL-6000DS型定向鉆機性能參數(shù)

3.2 鉆孔施工情況

高位長距離定向鉆孔開孔采用Φ113mm取芯鉆頭和巖芯管取芯至40m后，改用Φ173mm擴孔鉆頭從孔口擴至40m，下入40m的Φ127mm封孔套管，注漿封孔、候凝；然后采用“Φ96mm胎體式鉆頭+螺桿馬達+探管+無磁鉆桿+定向鉆桿+定向水辮”鉆具組合進行施工。

2016年10月21日開始施工試驗，2016年12月20日中班竣工，耗時62d，施工總進尺1509m，最大孔深504m。定向鉆孔施工統(tǒng)計見表4。

表4 定向鉆孔施工統(tǒng)計

4 效益性分析與評價

4.1 鉆孔瓦斯?jié)舛取⒊椴闪繉Ρ确治?/h3>

6306回采面高位定向長鉆孔瓦斯抽采量、濃度變化曲線如圖2所示。從瓦斯抽采混量來看，1#和2#孔抽采量可達到15～18m3/min，而3#鉆孔由于其層位布置較高，位于裂隙帶的上部或彎曲下沉帶內，其單孔抽采量僅為5～9m3/min。但相比于普鉆施工的高位鉆孔，其單孔抽采量在6m3/min左右，遠小于高位定向鉆孔的抽采量。從抽采濃度來看，1#孔的濃度維持在7%～13%，3#孔的濃度維持在9%～15%，均高于普鉆高位鉆孔的濃度(5%～10%)，而2#孔在施工過程中由于碰到了煤壁的錨索，存在漏氣，因此其濃度稍低(5%～7%)。

圖2 6306回采面高位定向長鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量變化曲線

綜合分析3組鉆孔的瓦斯抽采純量，正常情況下維持在3.5m3/min左右，而每3組普通高位鉆孔的瓦斯抽采純量為2m3/min左右，前者相對于后者可提高75%以上，抽采效果非常明顯。另外，對比現(xiàn)場的應用情況來看，采用普通高位鉆孔時，工作面回風流瓦斯?jié)舛仍?.24%～0.3%之間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.6%之間，改用高位定向鉆孔后，工作面回風流瓦斯?jié)舛仍?.22%～0.26%之間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.5%之間。

4.2 終孔高度對瓦斯抽采濃度的影響分析

6306回采面定向長距離不同鉆孔高度瓦斯?jié)舛茸兓€如圖3所示，通過分析圖3可知，3個定向鉆孔瓦斯抽采濃度的變化趨勢隨著抽采時間的變化基本一致。由圖3分析：層位36m的定向長距離鉆孔的瓦斯抽采效果明顯高于其他兩個層位的瓦斯抽采效果。所以，對于定向高位長距離鉆孔而言，選擇合適的終孔高度至關重要，就6306回采面而言，距離煤層36m高度的位置為布置定向長距離鉆孔的最佳布孔高度。

圖3 6306回采面定向長距離不同鉆孔高度瓦斯?jié)舛茸兓€

4.3 工程量對比

按照500m工作面巷道施工瓦斯抽采鉆孔比較，使用普通鉆機施工，需要開10個鉆場(每50m一個)，每個鉆場施工鉆孔3個，每個鉆孔長度為100m，每個鉆場需要施工鉆孔長度為300m，500m工作面巷道需要施工鉆孔長度為300×10=3000m；使用千米定向鉆機施工，需要施工3個鉆孔，每個鉆孔500m，需要施工鉆孔長度500×3=1500m，總工程量二者相差一半。

4.4 施工周期對比

使用普通鉆機施工，每個鉆孔需要2d，30個鉆孔需要60d；使用千米定向鉆機施工，每個鉆孔需要10d，3個鉆孔需要30d，效率提高一倍。

4.5 鉆孔無效進尺對比

使用普通鉆機施工每個鉆孔無效進尺長度為40m，每個鉆場無效進尺長度為120m，3000m無效進尺長度為1200m，占比40%；使用千米鉆機施工每個鉆孔無效進尺長度為50m，3個鉆孔共計無效進尺長度150m，占比10%。

5 結 論

1)通過現(xiàn)場試驗，ZYWL-6000DS型定向鉆機滿足唐口礦6306工作面高位定向長距離鉆孔施工試驗的需求。

2)通過理論計算出6306工作面上覆巖冒落帶與裂隙帶的高度，冒落帶高度Hm=24.4±2.5m，裂隙帶高度Hl=41.6±8.9m或Hl=48.48m，確定高位定向長距離鉆孔的施工位置。

3)通過瓦斯數(shù)據分析得出高位定向鉆孔的單位進尺抽采量比頂板鉆孔要多，瓦斯抽采效果要好，前者單位進尺的抽采量約為后者的2.2倍。

4)通過對比普通鉆機和定向鉆機施工高位鉆孔時的外圍輔助工程量、鉆進效率、施工周期、有效孔深、瓦斯抽采效果等因素，證明了定向鉆機施工高位鉆孔不僅成本更低，而且效果更好，非常適合于唐口煤業(yè)對于采面回采過程中上隅角的瓦斯治理。