基于三帶高度測(cè)定的定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

武沛武

摘 要：當(dāng)前煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)嚴(yán)峻的條件下，亟需探尋一種性價(jià)比更好的區(qū)域瓦斯治理途徑，“以孔代巷”區(qū)域瓦斯治理技術(shù)的提出很好地解決了這一工程難題，通過以頂、底板巖層長(zhǎng)鉆孔替代高、底抽巷穿層鉆孔，不僅解決了瓦斯治理工程量大、消突成本高昂的問題，而且大大縮短了瓦斯治理周期，提高了煤炭開采效率。對(duì)于硬度較大、構(gòu)造簡(jiǎn)單以及頂?shù)装鍘r層水敏性不高的煤層，使用千米定向鉆機(jī)在巖層中施工長(zhǎng)鉆孔具有鉆進(jìn)效率高、鉆孔的區(qū)域覆蓋性好等特點(diǎn)。但當(dāng)煤層構(gòu)造較為發(fā)育斷層較多時(shí)，會(huì)造成千米定向鉆機(jī)過斷層鉆進(jìn)困難。同時(shí)煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r或者砂質(zhì)泥巖時(shí)，巖層鉆孔護(hù)孔難度也相對(duì)較大，不利于后期抽采。因此，在煤層硬度較大、構(gòu)造簡(jiǎn)單、斷層不發(fā)育的區(qū)域，采用“以孔代巷”區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)，可以提高煤層瓦斯抽采效率，減少瓦斯災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);定向長(zhǎng)鉆孔;擴(kuò)孔;瓦斯抽采

引言

在工作面頂板上覆巖層內(nèi)構(gòu)建引流通道對(duì)該部分瓦斯實(shí)施抽采，是實(shí)現(xiàn)采動(dòng)裂隙卸壓瓦斯治理的重要方法。經(jīng)過探索總結(jié)，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工頂板裂隙帶定向長(zhǎng)鉆孔開展工作面采動(dòng)卸壓瓦斯抽采治理，形成了適合云煤二礦煤層頂板巖性特征的大直徑巖層定向鉆孔施工方法與采動(dòng)卸壓瓦斯治理技術(shù)，一定程度解決了工作面上隅角瓦斯問題，同時(shí)緩解了礦井瓦斯治理壓力。但是當(dāng)鉆遇硬巖層時(shí)，大直徑高位鉆孔的成孔效率、質(zhì)量受到現(xiàn)有技術(shù)裝備及工藝技術(shù)的限制而顯著降低，于是本文提出將輔助碎巖工具應(yīng)用于大直徑高位鉆孔施工的不同階段，并在云煤二礦做進(jìn)一步試驗(yàn)。

1理論分析

煤層開始回采后，煤層頂板的裂隙帶內(nèi)會(huì)發(fā)育大量縫隙，這些縫隙是瓦斯流動(dòng)運(yùn)移的主要通道。若將抽采瓦斯的鉆孔設(shè)在上述區(qū)間內(nèi)，瓦斯抽采的效果將得到顯著的提高。當(dāng)回采煤層與鄰近煤層距離較近時(shí)，隨著回采工作面的推進(jìn)，頂、底板圍巖應(yīng)力較大區(qū)域且?guī)r性較好的巖層，受高應(yīng)力作用在回采煤層的頂板上部裂隙帶產(chǎn)生裂隙，致使采空區(qū)與鄰近層形成了瓦斯運(yùn)移的通道，煤巖層瓦斯通過裂隙通道涌入采空區(qū)，同時(shí)，由于煤壁落煤解吸瓦斯中的一部分也隨風(fēng)流涌入采空區(qū)內(nèi)，隨著瓦斯涌出量的增大將造成回風(fēng)流瓦斯超限及上隅角瓦斯積聚，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。以往傳統(tǒng)工藝采用普通鉆機(jī)施工高位鉆孔對(duì)裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采，但該技術(shù)存在鉆孔利用率低（僅為40%～50%）、鉆探成本高等問題，且不能有效地治理上隅角瓦斯。與普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工瓦斯抽采鉆孔相比，定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍區(qū)域瓦斯治理，具有鉆孔抽采率高、鉆孔抽采時(shí)間長(zhǎng)、瓦斯治理投入低等優(yōu)點(diǎn)。定向長(zhǎng)鉆孔把裂隙帶發(fā)育的裂隙作為瓦斯抽采的通道，有效地對(duì)上鄰近層涌出的瓦斯進(jìn)行抽采，阻止其涌入到采煤工作面及上隅角，同時(shí)利用抽采負(fù)壓將積聚在采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯抽入抽采管路中，有效地防止工作面及上隅角瓦斯超限。

2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1鉆進(jìn)設(shè)備

工程采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法開孔、擴(kuò)孔與定向鉆進(jìn)方法施工鉆孔相結(jié)合的鉆進(jìn)方法，所用的定向鉆機(jī)為ZDY12000LD，該鉆機(jī)內(nèi)的基本設(shè)備有控制室、防爆型計(jì)算機(jī)、泵車等，能夠使鉆孔在較硬巖層內(nèi)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工。在開孔段使用D89mm螺旋鉆桿串+D120mmPDC鉆頭組合，在擴(kuò)孔段使用D89mm螺旋鉆桿+D153mmPDC鉆頭組合，下套管時(shí)使用D146mm孔口管，下至穿過煤層。鉆頭采用D120mm平底定向鉆頭，該類鉆頭硬度大且不易磨損，碾碎巖塊效果好，鉆進(jìn)施工中，經(jīng)常與螺桿鉆具結(jié)合，同時(shí)在穿煤層后的孔段擴(kuò)孔和主孔段施工完成以后使用擴(kuò)孔鉆頭。在施工定向長(zhǎng)鉆孔時(shí)，為保證實(shí)際軌跡按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行施工，以6m為測(cè)量步距監(jiān)測(cè)打孔參數(shù)，發(fā)現(xiàn)軌跡偏離，立即糾偏。

2.2高位定向鉆孔布置

根據(jù)上述研究結(jié)果可得，23304工作面采空區(qū)瓦斯定向鉆孔最佳布孔位置為工作面頂板上方12.5m～27m范圍內(nèi)，瓦斯最佳凝聚區(qū)為30212工作面頂板上方19m左右，水平方向上為距風(fēng)巷10m～17.5m的條帶范圍內(nèi)。為驗(yàn)證上述研究成果，在距風(fēng)巷10m～20m的條帶范圍內(nèi)共布置定向鉆孔10個(gè)，總進(jìn)尺為2820m，封孔長(zhǎng)度為20m。鉆孔布置方式為梳狀孔，開口孔間距為1m，終孔間距為2.5m，鉆孔直徑為153mm，1號(hào)終孔孔深為324m，定向鉆孔的主設(shè)計(jì)方位角設(shè)定為煤礦井下定向鉆孔的主延伸方向。其中232石門鉆場(chǎng)高位定向鉆孔平面布置?；夭晒ぷ髅娓呶欢ㄏ蜚@孔平面布置見圖1。

2.3隨鉆測(cè)量裝置

鉆機(jī)配套了YHD-1000（A）型隨鉆測(cè)量裝置，主要用于對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行測(cè)量、顯示及記錄，并對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行糾偏，為定向鉆進(jìn)的關(guān)鍵裝備。探管采用孔外供電方式，避免孔內(nèi)電池因電池耗盡而撤鉆;探管信號(hào)傳輸方式采用電流環(huán)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn);測(cè)量裝置及孔口顯示器性能可靠，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，測(cè)量精確;可與國(guó)內(nèi)外所有型號(hào)千米定向鉆機(jī)、通纜鉆桿等配套使用。

2.4抽采效果分析

煤層瓦斯涌出初速度和鉆屑量的結(jié)果分析，煤礦采用復(fù)合指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中評(píng)價(jià)指標(biāo)瓦斯涌出初速度q和鉆屑量s的參考臨界值分別為5L/min和6kg/m。本次統(tǒng)計(jì)了沿巷道方向距鉆場(chǎng)47m位置至距鉆場(chǎng)588.3m共計(jì)541.3m煤巷（含普通穿層鉆孔治理）掘進(jìn)區(qū)域驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如圖2所示，數(shù)據(jù)共計(jì)149組，瓦斯涌出初速度q測(cè)得結(jié)果在0～2.89L/min，有136組數(shù)據(jù)為0，13組瓦斯涌出初速度在0.18～2.89L/min，都沒有達(dá)到或超過臨界值，瓦斯涌出初速度q較大的區(qū)域位于距鉆場(chǎng)220～251m及距鉆場(chǎng)346m附近;鉆屑量s取樣測(cè)得結(jié)果分別在3.2～4.2kg/m，平均3.5kg/m，結(jié)果不小于4.0kg/m的取樣點(diǎn)共有8組，位于距鉆場(chǎng)232～250m的區(qū)域內(nèi)，各測(cè)試結(jié)果均小于參數(shù)臨界值，區(qū)域驗(yàn)證無突出危險(xiǎn)。且驗(yàn)證數(shù)據(jù)與取樣測(cè)量結(jié)果顯示的距鉆場(chǎng)200～350m區(qū)域存在瓦斯異常區(qū)域較為一致。

結(jié)束語

定向鉆孔抽采濃度高、流量大，治理23304綜采工作面采空區(qū)瓦斯的效果非常明顯，通過鉆孔施工數(shù)據(jù)及抽采數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：（1）小常煤業(yè)3號(hào)煤層裂隙帶最佳抽采高度在35～40m之間，鉆孔軌跡可調(diào)整、可控制，可及時(shí)調(diào)整鉆孔抽采高度，保證鉆孔始終處于最佳抽采位置;（2）定向裂隙帶抽采鉆孔，瓦斯抽采濃度高、純量大，鉆場(chǎng)平均抽采純量是普通鄰近層瓦斯抽采鉆孔的3～4倍;（3）定向鉆孔抽采周期長(zhǎng)，瓦斯抽采濃度、純量平穩(wěn)，可對(duì)采空區(qū)及鄰近層瓦斯進(jìn)行有效抽采控制。

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