定向鉆機(jī)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

劉利平

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)部，山西 陽(yáng)泉 045000)

陽(yáng)煤集團(tuán)下屬煤礦分布在陽(yáng)泉、太原、臨汾、晉中、忻州、朔州六個(gè)地區(qū)，陽(yáng)泉礦區(qū)煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、透氣性差，屬于典型的低滲碎軟突出難抽煤層，是我國(guó)自然災(zāi)害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一。近年來(lái)，伴隨礦井開(kāi)采深度的增加，治理瓦斯難度漸漸增大，抽、掘、采平衡銜接日益緊張，嚴(yán)重影響礦井的安全高效開(kāi)采，成為制約企業(yè)安全發(fā)展的瓶頸，而定向鉆機(jī)鉆進(jìn)簡(jiǎn)單、操作方便、適用性強(qiáng)，在煤礦瓦斯治理中發(fā)揮著非常顯著的效果。

1 陽(yáng)煤集團(tuán)礦井概況

陽(yáng)煤集團(tuán)下屬礦井主要分布在沁水煤田，屬于近水平煤層，自上而下共含煤層15層(1號(hào)～15號(hào))，現(xiàn)主采3號(hào)、15號(hào)煤層，局部可采6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、12號(hào)煤層。煤層瓦斯壓力為0.25～2.3 MPa，瓦斯含量14.75～26.73 m3/t，透氣性系數(shù)0.017～0.15 m2/(MPa2·d)，普氏系數(shù)f=0.1～0.8，礦井相對(duì)瓦斯涌出量16～46 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量150～580 m3/min。

集團(tuán)現(xiàn)有高瓦斯礦井9座、煤與瓦斯突出礦井10座，高瓦斯礦井瓦斯來(lái)源鄰近層約占85%以上，煤與瓦斯突出礦井瓦斯涌出量鄰近層、本煤層各占約50%。

2 定向鉆機(jī)主要技術(shù)原理及特點(diǎn)

定向鉆機(jī)成套裝備主要由定向鉆機(jī)、孔底螺桿馬達(dá)、高強(qiáng)度鉆桿、隨鉆軌跡測(cè)量系統(tǒng)等構(gòu)成。隨鉆軌跡測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量鉆孔傾角、工具面向角、方位角等主要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的隨鉆動(dòng)態(tài)顯示，方便鉆孔施工人員隨時(shí)掌握鉆孔施工情況，并根據(jù)穿巖穿煤情況及時(shí)驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)調(diào)整工具面方向和鉆孔工藝參數(shù)，確保鉆孔盡可能地按照設(shè)計(jì)軌跡延伸，并根據(jù)煤層瓦斯賦存，對(duì)鉆孔進(jìn)行多分支孔施工，具有鉆進(jìn)成孔率高、鉆孔用途廣、樹(shù)狀集中抽采等特點(diǎn)。

3 定向鉆機(jī)在瓦斯治理中的應(yīng)用

3.1 定向長(zhǎng)鉆孔采空區(qū)瓦斯治理

3.1.1 定向鉆孔設(shè)計(jì)

坪上礦8216工作面走向長(zhǎng)度980 m，傾向長(zhǎng)度180 m,定向鉆孔布置位于煤層頂板16～45 m，控制工作面回風(fēng)側(cè)傾向長(zhǎng)1/3；鉆孔設(shè)計(jì)深度550 m，水平面上距回風(fēng)巷13.5 m、27 m、40.5 m、54 m，垂直面上距煤層頂板16 m、28 m、38 m、45 m。

3.1.2 定向鉆孔抽采效果

如圖1所示，當(dāng)8216工作面回采過(guò)程中，受工作面采動(dòng)影響，距工作面切巷500 m處的2號(hào)鉆場(chǎng)回采至距鉆場(chǎng)320 m位置時(shí)鉆孔瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到45%(圖1)，回采至距鉆場(chǎng)310 m位置時(shí)抽采純量最大達(dá)到12.25 m3/min，回采至距鉆場(chǎng)300 m位置抽采混合量最大達(dá)到45.2 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯240萬(wàn)m3。通過(guò)鉆場(chǎng)頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采，回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆得黠@，由抽采前最高值0.68%降低至0.2%～0.35%之間，生產(chǎn)期間瓦斯影響停機(jī)次數(shù)降低60%以上，有效保證了工作面高效回采進(jìn)度。

圖1 2號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果

3.2 定向長(zhǎng)鉆孔大區(qū)域超前瓦斯治理

3.2.1 定向鉆孔設(shè)計(jì)

在開(kāi)元公司9713工作面進(jìn)風(fēng)巷及輔助進(jìn)風(fēng)巷鉆場(chǎng)中施工梳狀定向鉆孔(如圖2)，單孔設(shè)計(jì)深度600 m，每40～60 m開(kāi)設(shè)一個(gè)分支孔進(jìn)入目標(biāo)煤層，然后沿煤層鉆進(jìn)，鉆孔間距10 m,直接在煤層中布置，困難時(shí)把主孔布置于目標(biāo)煤層底板5 m以下層位，相當(dāng)于底抽巷的作用。

圖2 鉆場(chǎng)梳狀鉆孔平面布置

3.2.2 定向鉆孔施工

如圖3所示，通過(guò)在目標(biāo)煤層底板5～7 m施工定向鉆孔主孔，主孔間距10 m，設(shè)計(jì)孔深600 m，到達(dá)煤層位置時(shí)每隔60～80 m在主孔內(nèi)開(kāi)一個(gè)分支孔進(jìn)入煤層，從而達(dá)到對(duì)采區(qū)兩翼進(jìn)行大面積區(qū)域瓦斯治理的目的。

圖3 定向鉆孔鉆孔剖面示意

3.2.3 定向鉆孔抽采效果

開(kāi)元公司9713工作面進(jìn)風(fēng)巷及輔助進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為1 800 m，凈寬5.2 m，鉆場(chǎng)布置在巷道開(kāi)口位置的軌道運(yùn)輸巷，設(shè)計(jì)11個(gè)鉆孔保護(hù)兩巷掘進(jìn)，于2018年4月開(kāi)始施工鉆孔、并網(wǎng)抽采，根據(jù)兩巷開(kāi)展定向鉆孔區(qū)域瓦斯治理的抽采情況，匯總各鉆孔抽采數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 鉆孔抽采數(shù)據(jù)匯總

由表1數(shù)據(jù)可知，單個(gè)定向鉆孔平均抽采濃度均達(dá)到50%以上，平均抽采純量0.5～1 m3/min，采用底板梳狀定向鉆孔單孔抽采濃度高、抽釆純量較大、抽采衰減率低、抽釆效率高。通過(guò)對(duì)開(kāi)元公司9采區(qū)煤層兩翼進(jìn)行定向鉆進(jìn)大區(qū)域超前瓦斯治理，預(yù)抽前該區(qū)域瓦斯含量平均9.3 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa,抽釆30 d后，煤層殘存瓦斯含量實(shí)測(cè)最大7.56 m3/t，瓦斯壓力0.59 MPa,實(shí)現(xiàn)了大面積整體區(qū)域消突，有效保證了井下安全生產(chǎn)。

3.3 定向長(zhǎng)鉆孔煤巷條帶順層瓦斯治理

3.3.1 定向鉆孔設(shè)計(jì)

在新景公司3212工作面迎頭布置施工順層定向條帶鉆孔(見(jiàn)圖4)，鉆孔每循環(huán)控制條帶長(zhǎng)度300 m以上，控制巷道兩幫輪廓線20 m范圍，布置間距按實(shí)測(cè)抽采半徑確定，一般為2.5～5 m,鉆孔施工完畢后封孔長(zhǎng)度不少于15 m。

3.3.2 定向鉆孔抽采效果

在3212工作面施工7個(gè)定向條帶順層鉆孔，鉆孔最大深度384 m，單孔平均抽采瓦斯?jié)舛染?0%以上，純量平均約0.3 m3/min,其中3號(hào)、4號(hào)鉆孔的抽采累積量和日抽采量曲線如圖5、圖6。

圖6 定向鉆孔瓦斯日抽采量變化曲線

圖5 定向鉆孔瓦斯抽采累積量變化曲線

圖4 定向順層條帶鉆孔平面

通過(guò)對(duì)新景公司3212工作面瓦斯預(yù)抽，減少了施工瓦斯治理工程巷道340 m，掘進(jìn)期間沒(méi)有出現(xiàn)工作面瓦斯超限現(xiàn)象，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，保證了安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

陽(yáng)煤集團(tuán)下屬礦井采用定向鉆機(jī)抽采瓦斯技術(shù)取得了顯著成效，全年減少瓦斯治理工程巷道約3 000 m，與普通鉆機(jī)施工的鉆孔相比瓦斯抽采純量提高了2～3倍，為煤礦安全生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，極大地緩解了礦井抽、掘、采平衡銜接緊張現(xiàn)象。

但長(zhǎng)距離定向鉆孔在遇地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)存在成孔、護(hù)孔難的問(wèn)題，仍需要不斷積累總結(jié)瓦斯精準(zhǔn)治理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，形成完整的瓦斯治理技術(shù)體系，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。