回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)研究

胡靈學(xué)

摘? ? 要：隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的提高和開(kāi)采深度的加大，礦井瓦斯涌出量增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象也加劇，工作面采空區(qū)瓦斯涌出包括三部分：即落煤瓦斯涌出、煤柱瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出。為了消除威脅，采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工頂板高位鉆孔，存在鉆孔軌跡控制難，經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)層位的問(wèn)題，只能采取多鉆孔，增加施工量的辦法，浪費(fèi)人力、物力，無(wú)法保證預(yù)期效果。目前，煤礦井下成熟的定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、精度高，目標(biāo)層位鉆進(jìn)效率高、延伸距離長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：回采工作面;高位定向長(zhǎng)鉆孔;采空區(qū);瓦斯治理

在采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中，工作面前、后、上方一定范圍的頂板內(nèi)生成許多縱、橫向裂隙，為煤體內(nèi)的卸壓瓦斯和工作面內(nèi)的游移瓦斯提供了升浮的通道和儲(chǔ)存空間，為瓦斯抽放及鉆孔層位的布置提供了理論依據(jù)。當(dāng)前主要采用普通鉆探設(shè)備施工低位鉆場(chǎng)高位鉆孔治理裂隙帶瓦斯時(shí)，存在高位孔爬坡段長(zhǎng)，有效長(zhǎng)度占比低;低位鉆場(chǎng)頻繁施工，確保鉆孔相互壓茬造成額外工程量大;低位鉆場(chǎng)高位孔濃度衰減快;施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，合理實(shí)施采空區(qū)、裂隙帶瓦斯抽放并達(dá)到較好的效果，對(duì)于應(yīng)對(duì)瓦斯超限問(wèn)題顯得十分必要。

一、試驗(yàn)區(qū)域概況

新安井田位于河南省洛陽(yáng)市新安縣城以北15Km，為石寺、北冶、正村及倉(cāng)頭四個(gè)鄉(xiāng)管轄，地理坐標(biāo)為東經(jīng)12°00′230″～112°14′00″、北緯34°45′00″～34°54′30″。工業(yè)廣場(chǎng)建在石寺鎮(zhèn)石寺和磨吾兩村的山坡上，隴海鐵路、鄭西高鐵和連霍高速?gòu)木锬喜拷?jīng)過(guò)，省級(jí)公路經(jīng)過(guò)井田中部，煤礦的煤炭由專用鐵路為其服務(wù)?！逗幽鲜∶旱V防治煤與瓦斯突出十項(xiàng)措施》對(duì)采掘工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性的參數(shù)臨界值指標(biāo)做了明確規(guī)定，其中瓦斯含量臨界值不大于6m3/t，瓦斯壓力臨界值不大于0.6MPa，為了緩解回采期間采空區(qū)瓦斯對(duì)采煤工作面、上隅角、回風(fēng)巷的威脅，必須對(duì)工作面煤層裂隙帶瓦斯進(jìn)行治理，保證回采期間的安全生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)礦井基本資料的研究、論證，初步制定了頂板長(zhǎng)距離定向鉆孔設(shè)計(jì)，并輔以對(duì)鉆孔全程擴(kuò)孔技術(shù)增大對(duì)煤層頂板裂隙帶瓦斯抽采力度，為16020工作面順利回采創(chuàng)造有利條件。

二、理論研究

在工作面回采過(guò)程中，工作面前、后、上方一定范圍的頂板內(nèi)生成許多縱、橫向裂隙，為煤體內(nèi)的卸壓瓦斯和工作面內(nèi)的游移瓦斯提供了升浮的通道和儲(chǔ)存空間，為瓦斯抽放及鉆孔層位的布置提供了理論依據(jù)。高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯是利用采空區(qū)上覆巖層向下移動(dòng)和裂隙發(fā)育規(guī)律，形成瓦斯通道，而進(jìn)行瓦斯抽采的一種方法，裂隙沿垂向方向由直接頂、基本頂逐漸向上發(fā)育的，隨著上覆巖層裂隙的逐步發(fā)育、巖層的冒落，在采空區(qū)的一定位置形成冒落拱?？梢钥闯?，工作面推過(guò)程中，造成采空區(qū)冒落拱位置與工作面有一定的距離，這是由冒落拱的形成需要一固定時(shí)間形成。采空區(qū)冒落拱附近裂隙發(fā)育比較完全，在垂向上裂隙發(fā)育的范圍較高。根據(jù)工作面采空區(qū)上覆巖層中裂隙發(fā)育的這個(gè)特點(diǎn)，為有效抽采采空區(qū)瓦斯，防治上隅角瓦斯?jié)舛瘸?，工作面高位鉆孔的布置應(yīng)降低層位，布置在裂隙帶中下部巖層內(nèi)。

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的提高和開(kāi)采深度的加大，礦井瓦斯涌出量增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象也加劇。根據(jù)采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)"三帶"理論和采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，有效的鉆孔高度應(yīng)位于裂隙帶范圍。16020工作面采空區(qū)瓦斯涌出包括三部分：即落煤瓦斯涌出、煤柱瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出。這幾部分瓦斯隨著煤層和巖層的變形、垮落而得到卸壓，按照各自的涌出規(guī)律涌入采空區(qū)，然后在壓力差和通風(fēng)負(fù)壓的作用下涌向工作面造成瓦斯超限，新安煤礦16020工作面頂板冒落帶高度為10～13.4m，裂隙帶高度為20～25m在此以下為彎曲下沉帶。考慮到鉆孔的有效利用及鉆場(chǎng)施工的難易程度，鉆孔應(yīng)布置在冒落帶上部與裂隙帶中下部。

1.定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該目標(biāo)可以是地下某一點(diǎn)，也可以是孔眼軸線或特定方向和角度，采用一些科學(xué)的人為可以控制的技術(shù)方法與機(jī)具有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎，使之達(dá)到目標(biāo)要求。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要用于近水平定向鉆孔施工過(guò)程中的隨鉆監(jiān)測(cè)，隨鉆測(cè)量鉆孔傾角、方位、工具面等主要參數(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)、軌跡的即時(shí)孔口顯示，便于施鉆人員隨時(shí)了解鉆孔軌跡情況，并通過(guò)及時(shí)調(diào)整工具面方向和工藝參數(shù)，使鉆孔盡可能的按照設(shè)計(jì)的軌跡延伸。本項(xiàng)目選用YHD2-1000（A）隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

2.煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝流程

采用螺桿鉆具進(jìn)行煤礦井下定向鉆孔主孔及分支孔施工時(shí)，根據(jù)施鉆地層產(chǎn)狀、鉆孔設(shè)計(jì)要求和目的等不同，施工順序可分為“前進(jìn)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(kāi)分支孔（即側(cè)鉆）問(wèn)題，有可能還會(huì)涉及分支孔重入技術(shù)。根據(jù)礦井的實(shí)際需要，采用“前進(jìn)式”鉆孔工藝方法。

3.鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

鉆孔軌跡設(shè)計(jì)原則：

（1）了解鉆孔的用途、收集與地層相關(guān)的資料，查看鉆場(chǎng)條件;

（2）根據(jù)業(yè)主要求合理設(shè)計(jì)鉆孔，包括孔深、孔徑、鉆孔層位、左右布置、孔身結(jié)構(gòu)等參數(shù)，軌跡盡量平滑、布孔科學(xué)，能發(fā)揮最佳使用效果;

（3）設(shè)計(jì)的定向鉆場(chǎng)、鉆孔布置應(yīng)該與工作面巷道工程圍巖環(huán)境、構(gòu)造條件、采掘現(xiàn)狀、排水通道、鉆機(jī)能力相適應(yīng);

（4）設(shè)計(jì)合理的施工流程，按序施工，在保證鉆具安全的情況下，提高施工效率。

結(jié)合16020工作面實(shí)際情況及ZDY12000LD定向鉆機(jī)的相關(guān)性能，共設(shè)計(jì)5個(gè)高位定向鉆孔，設(shè)計(jì)深度435m，鉆孔的設(shè)計(jì)層位位于煤層頂板上方25～30m位置裂隙帶范圍，當(dāng)工作面煤層回采后，鉆孔施工孔底距離回采工作面不小于30m。

4.鉆進(jìn)方法及工藝

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(jì)要求延伸至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向孔鉆進(jìn)時(shí)：整個(gè)鉆具不回轉(zhuǎn)，只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石鉆進(jìn)，實(shí)時(shí)調(diào)整螺桿鉆具工具面向角，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進(jìn)時(shí)，原則上每6m對(duì)鉆孔進(jìn)行一次參數(shù)測(cè)定（初次使用，采用3m一測(cè)），根據(jù)測(cè)定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，調(diào)整鉆進(jìn)方向，力求鉆孔按照設(shè)計(jì)軌跡和要求鉆進(jìn)。

5.鉆孔施工情況

先后利用定向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔作業(yè)施工5個(gè)高位定向鉆孔，孔深分別為438m、405m、415m、413m、423m。鉆孔水平投影孔深不低于400m的近水平長(zhǎng)深鉆孔，分別控制工作面頂板25m、30m范圍不同層位的鉆孔。

三、定向高位鉆孔瓦斯抽采效果分析

當(dāng)在16020工作面上巷瓦斯治理巷施工高位近水平長(zhǎng)深鉆孔（鉆孔平距大于400m）進(jìn)行工作面回采期間的頂板裂隙帶游離瓦斯治理工作，當(dāng)前已施工完成5個(gè)水平投影孔深不低于400m的近水平長(zhǎng)深鉆孔，分別控制工作面頂板25m、30m范圍不同層位的鉆孔。經(jīng)6個(gè)月的回采連抽后，平均抽采濃度歷依然在20%左右，總體混合流量維持在5m3/min以上，累計(jì)抽采純瓦斯量29.5萬(wàn)m3，為解決目前存在的高位鉆孔瓦斯抽采難題提供了強(qiáng)力的技術(shù)支撐。

四、結(jié)論

1）本定向高位鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯治理效果顯著，并能保持高濃度抽采;2）定向高位鉆孔的高效抽采持續(xù)期長(zhǎng)，并且無(wú)需投入大量人力進(jìn)行維護(hù);3）定向高位鉆孔的施工可節(jié)省鉆場(chǎng)、鉆孔的重復(fù)施工工作，節(jié)省大量人力物力成本，在400m的回采期間，節(jié)省重復(fù)施工低位鉆場(chǎng)8個(gè)（每個(gè)鉆場(chǎng)進(jìn)尺5m），低位鉆場(chǎng)高位孔64個(gè);4）此次采用的定向技術(shù)施工的高位鉆孔，為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)裂隙帶、工作面上隅角區(qū)域瓦斯高效治理和工作面的安全回采提供了一個(gè)新的技術(shù)手段，為瓦斯抽采鉆孔施工提供了一個(gè)可行的新方法，對(duì)于礦井安全高效生產(chǎn)有重要意義。

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