定向鉆機(jī)實施高抽攔截孔消除隅角瓦斯超限技術(shù)研究與運(yùn)用

鐘傳平 朱澤成

摘?要：單一煤層開采的回采工作面上隅角，由于通風(fēng)系統(tǒng)不暢易發(fā)生瓦斯超限，制約煤礦安全生產(chǎn)。通過新工藝新設(shè)備定向鉆機(jī)的投入，向瓦斯涌出目標(biāo)層位定向?qū)嵤└叱閿r截鉆孔，定向抽采鄰近層、圍巖、采空區(qū)等路徑涌出的瓦斯，為消除工作面隅角瓦斯超限提供保障。

關(guān)鍵詞：定向鉆機(jī);裂隙帶;瓦斯抽采;上隅角

走向長壁回采工作面采后，頂板受采動影響產(chǎn)生了冒落-裂隙帶。隅角位于采煤工作面的回風(fēng)巷上幫與采空區(qū)邊緣的三角地帶，該區(qū)域通風(fēng)效果不好，極易引起瓦斯超限，是煤礦瓦斯管控的重點。目前國內(nèi)外治理上隅角瓦斯方法有專用高抽巷、埋管、正向抽排、高位鉆孔等抽采技術(shù)。雖能減少瓦斯超限事故的次數(shù)，但存在施工周期長、費用高，埋管抽采后期維護(hù)成本高，抽采時間短、衰減快的問題，影響瓦斯治理效果^[1]。積極開展定向鉆機(jī)進(jìn)行高位抽采技術(shù)研究與應(yīng)用，有效防治上隅角瓦斯聚積，增強(qiáng)礦井瓦斯防治能力，實現(xiàn)瓦斯“零”超限目標(biāo)。

1??礦井瓦斯抽采概況

紅巖煤礦開采二疊統(tǒng)龍?zhí)督MK1（6#）煤層，屬單一煤層開采，目前±0m水平南北翼各布置1個綜采工作面作業(yè)。采前實施區(qū)域綜合防突措施并進(jìn)行效果檢驗，評判達(dá)標(biāo)，采取安全防護(hù)措施進(jìn)行回采。針對上隅角瓦斯極易超限的問題，配合工作面高位鉆孔攔截瓦斯抽采，成功將采空上方瓦斯富集區(qū)與圍巖裂隙瓦斯進(jìn)行攔截抽采，有效防治圍巖、裂隙瓦斯涌入工作面及采空區(qū)，一定程度上保障工作面正常回采。

2??隅角瓦斯來源分析

單一煤層開采工作面回采過程中，原位煤巖體的支撐應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在重力與采動應(yīng)力作用下，采空區(qū)上方圍巖劇烈下沉、垮塌，拉伸過程中發(fā)生斷裂，形成大量裂隙，并與采空區(qū)形成瓦斯運(yùn)移通道。裂隙帶的巖層和煤層呈現(xiàn)卸壓狀態(tài)，煤巖層透氣性增加，吸附于煤巖層瓦斯開始解析“活化”^[2]，呈游離態(tài)沿縱向裂縫流向采場、隅角，造成回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍龈?、超限、局部聚集?/p>

3??采動影響“堅三帶橫五區(qū)”范圍分析

采動影響作用下，采空區(qū)上方煤巖體劇烈下沉導(dǎo)致上覆巖體垮塌與彎曲，處于工作面后方30m左右，由下至上劃分為“豎三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

冒落帶是煤層回采后，上覆巖層失去支撐應(yīng)力的作用自然垮塌。礦井通常運(yùn)用經(jīng)驗值進(jìn)行估算，為煤層厚度的2-6倍，主要取決于煤層厚度、直接頂巖石的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度性質(zhì)，老頂對直接頂?shù)挠绊懗潭取Ｒ部梢赃\(yùn)用冒落-裂隙帶公式進(jìn)行計算，與冒落帶的高度，煤層開采的厚度及計算常數(shù)與系數(shù)有關(guān)。通過計算，紅巖煤礦頂板冒落帶高度為6.6m-11.6m，裂隙裂隙帶高度為34.37m-52.17m之間。彎曲下沉帶是裂隙帶以上的煤巖體，受采動影響較小，保存較完整，發(fā)育了少量的裂隙，對煤層整體卸壓效果的影響很小^[3]。摸清回采后瓦斯受采動影響，聚積地點、運(yùn)移通道。

上覆煤巖體沿回采工作面推進(jìn)方向可以劃分為“橫五區(qū)”，即工作面為卸壓區(qū)，前方30m為采動影響—地應(yīng)力集中區(qū)，前方30m以外為原應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，工作面后方30m左右頂板離層區(qū)，以外為重新壓實區(qū)。卸壓區(qū)和頂板離層區(qū)受到采動影響最大，走向采動影響與采空區(qū)豎向裂隙十分發(fā)育，是瓦斯富集帶，瓦斯抽采的重點區(qū)域。

4??定向鉆機(jī)治理上隅角瓦斯技術(shù)

4.1?鉆孔布置技術(shù)

前文分析已知，抽采采空區(qū)上部頂板離層、區(qū)冒落-裂隙帶瓦斯是防治上隅角瓦斯積聚超限的主要方法。裂隙帶距風(fēng)巷以下15～30m左右，距工作面以上冒落-裂隙帶處，便是需要進(jìn)行瓦斯抽采的目標(biāo)。利用煤礦井下坑道鉆機(jī)長距離鉆進(jìn)技術(shù)，定向?qū)⒊椴摄@孔布置在頂板裂隙帶中，從而降低甚至避免因頂板冒落使高位定向鉆孔被封堵、漏氣等弊端，有針對性地對上隅角上方的冒落-裂隙帶、瓦斯進(jìn)行抽采。

在工作面上回風(fēng)順槽設(shè)抽放鉆場，進(jìn)行井下高位定向瓦斯抽放鉆孔施工?？紤]工作面回采速度、抽采效果、采空區(qū)頂板下沉影響抽采等因素，回風(fēng)巷每超前工作面150m～200m，傾斜方向上施工2-3個高抽孔，間距3-5m，孔徑不小于120mm。在超前工作面大于150m位置開孔，垂直向冒落-裂隙帶施工，然后轉(zhuǎn)彎順工作面走向，反回采方向施工抽采攔截孔。首先經(jīng)過工作面前方的采動影響—地應(yīng)力集中區(qū)，穿過工作面卸壓帶，進(jìn)入工作面后方的“豎三帶”，終孔于K1煤層頂板以上冒落-裂隙帶，實現(xiàn)瓦斯抽采。

設(shè)計高位定向鉆孔時，鉆孔必須控制在裂隙帶瓦斯有效抽放范圍內(nèi)，終孔位置一般是頂板相對穩(wěn)定的位置，可以有效解決裂隙帶鉆孔服務(wù)時間短的問題，達(dá)到良好的抽放效果，具有抽采濃度高、抽放量穩(wěn)定的特點。

4.2?鉆孔施工工藝

礦井采用ZDY4000LD型定向千米鉆機(jī)及配套裝備。該鉆機(jī)利用螺桿鉆具的造斜能力，改變鉆機(jī)鉆進(jìn)的孔斜角和方位角達(dá)到設(shè)計目的。利用隨鉆測量儀器實時對鉆孔幾何參數(shù)進(jìn)行精確測量和計算，準(zhǔn)確控制鉆孔軌跡，是實現(xiàn)定向鉆進(jìn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

利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。

成孔工藝：采用帶有1.25°彎角的螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆孔施工時，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)，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計軌跡及煤層具體狀況實時調(diào)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。

4.3??瓦斯抽采效果

按照設(shè)計要求完鉆，每個鉆孔下入直徑為100mm的篩管，全程下套護(hù)孔。采用馬麗散纏繞和注漿封孔相結(jié)合的方式進(jìn)行封孔，封孔長度不低于15m，孔口處用水泥砂漿封堵，保證鉆孔氣密性，抽采負(fù)壓大于5kPa。為綜合分析對比高位定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面推進(jìn)過程中，安排專人采集高位定向長鉆孔與高位抽鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

根據(jù)目前常規(guī)高位抽采鉆孔的抽采參數(shù)，常規(guī)高位鉆孔抽采濃度可達(dá)35%～80%，平均濃度57%;單孔純流量0.098m³/min～0.37m³/min，平均單孔純流量0.25m³/min。采用定向千米鉆機(jī)治理上隅角瓦斯，抽取工作面裂隙帶富集區(qū)瓦斯后，單孔接抽管管徑增大為100mm，為原接抽管管徑的2倍，因此定向高位鉆孔單孔純流量至少可以增加到0.5m³/min，抽采純量至少可以增加1倍以上，使工作面回風(fēng)瓦斯由0.23%～0.35%，降到0.05%～0.15%，工作面上隅角瓦斯下降到0.08%～0.23%之間。經(jīng)對比計算，采空區(qū)、65%左右的瓦斯涌出量高位鉆孔抽走，風(fēng)排瓦斯量只有30%左右。高位鉆孔的應(yīng)用解決了紅巖煤礦采煤工作面上隅角瓦斯積聚和超限問題。

5??認(rèn)識與結(jié)語

5.1 通過使用定向鉆機(jī)治理煤層瓦斯，在技術(shù)分析層面上，使我們重新認(rèn)識，劃分了“豎三帶、橫五區(qū)”，詳細(xì)分析瓦斯來源及涌出途徑，為以后工作面瓦斯治理找到新的目標(biāo)，更好解決回采期間上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

5.2 實施高位定向鉆機(jī)抽采冒落-裂隙帶瓦斯，有效防治上隅角瓦斯聚積，必須采集高位定向長鉆孔與高位抽鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)，分析兩種工藝的優(yōu)劣，從而明確裂隙帶瓦斯抽采的控制因素及其影響機(jī)理，為現(xiàn)場采取針對措施治理上隅角瓦斯提供依據(jù)。

5.3 進(jìn)一步加強(qiáng)高位定向鉆孔布置研究，優(yōu)化鉆孔布置間距，實現(xiàn)高效抽取裂隙帶瓦斯，實現(xiàn)一勞永逸的治理上隅角瓦斯超限問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫海民.煤礦工作面瓦斯治理的高位鉆孔抽采技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，601（5）：141-143.

[2]翟成.近距離煤層群采動裂隙場與瓦斯流動場耦合規(guī)律及防治技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

[3]杜旭.多煤層賦存條件下采場覆巖_豎三帶_分布規(guī)律研究與應(yīng)用[D].煤炭科學(xué)研究總院研究生院，2018.

作者簡介：鐘傳平（1975-），男，籍貫：重慶綦江，民族：漢族，職稱：通風(fēng)工程師，學(xué)歷：大專，研究方向：從事礦井一通三防、瓦斯地質(zhì)、防突新技術(shù)、瓦斯治理新工藝技術(shù)研究與應(yīng)用。