煤礦定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

牛嘉野軍

（山西西山金城建筑有限公司， 山西 太原 030053）

引言

目前，高瓦斯礦井瓦斯治理問(wèn)題日益突出，千米鉆機(jī)可以施工長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行采掘前預(yù)抽或者替代高抽巷抽采綜采工作面上隅角瓦斯，以解決生產(chǎn)中的安全問(wèn)題[1-3]。西山煤電斜溝礦屬近水平煤層，煤層整體性好，機(jī)械強(qiáng)度高，地質(zhì)條件適合長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)。因此，結(jié)合斜溝礦地質(zhì)條件和鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，利用千米鉆機(jī)在斜溝礦15203 工作面進(jìn)行應(yīng)用性試驗(yàn)。

1 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)及裝備介紹

千米鉆機(jī)采用履帶行走整體式的設(shè)計(jì)，帶有隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，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)鉆口鉆孔參數(shù)、軌跡的即時(shí)顯示，便于及時(shí)了解成孔情況[4-5]。該鉆機(jī)為電-液驅(qū)動(dòng)，采用孔底馬達(dá)鉆進(jìn)，依靠高壓水驅(qū)動(dòng)，鉆桿不旋轉(zhuǎn)，用定向鉆進(jìn)檢測(cè)導(dǎo)線連接單元，快速檢測(cè)鉆孔參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的實(shí)測(cè)和控制。定向鉆進(jìn)系統(tǒng)如圖1 所示。

1.1 千米鉆機(jī)施工封孔工藝

千米鉆孔在鉆進(jìn)前要先施工長(zhǎng)20 m，直徑165 mm 的開口孔，然后向孔內(nèi)安裝管徑100 mm，長(zhǎng)度12 m 的PVC 管，在空口安裝等徑的鋼管6 m，總長(zhǎng)18 m，接著在空口釘木塞并接管，利用泥漿泵向孔內(nèi)注入水泥砂漿封孔；鉆進(jìn)前還應(yīng)以3.5 MPa 的水壓連續(xù)測(cè)試其密閉性和承壓情況。其工藝如圖2 所示。

1.2 鉆進(jìn)過(guò)程中的防突措施

在有高瓦斯和突出傾向的地點(diǎn)鉆進(jìn)，必須通過(guò)卸壓和引流來(lái)保證鉆進(jìn)環(huán)境的安全。鉆進(jìn)期間的壓力和瓦斯控制裝置如圖3 所示，其中噴出保護(hù)裝置最大承壓20 MPa，其作用是在高壓瓦斯或高壓水噴出時(shí)自動(dòng)卸壓以保護(hù)鉆機(jī)和人員的安全。鉆桿的反沖也起到卸壓保護(hù)的作用。氣水分離器可將噴出瓦斯引入抽采管道，鉆進(jìn)回水和鉆屑流入回水箱。

圖1 定向鉆進(jìn)系統(tǒng)示意圖

圖2 千米鉆孔封孔工藝圖

圖3 防突裝置示意圖

2 斜溝礦15203 工作面概況

該工作面位于南一盤區(qū)+510 m 水平，地面標(biāo)高994～1 053 m，底板標(biāo)高430～520 m。工作面煤層平均厚度為5.5 m，走向長(zhǎng)2 090 m，傾向長(zhǎng)200 m，煤層傾角5°～8°，原始瓦斯含量為12.66 m3/t。煤層層理發(fā)育完好，工作面內(nèi)煤層的頂?shù)装鍘r性及煤層結(jié)構(gòu)如下頁(yè)表1 所示。

3 千米鉆孔布置

千米鉆機(jī)施工地點(diǎn)選擇斜溝礦15203 工作面，在工作面順槽千米鉆場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)使用VLD-1000 型定向鉆機(jī)施工順層定向長(zhǎng)鉆孔。在15203 工作面進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)外寬18 m、深5 m、內(nèi)寬9 m、高3.7 m 的梯形鉆場(chǎng)，施工15 個(gè)長(zhǎng)鉆孔，鉆孔深度在400～800 m之間，鉆孔終孔間距10 m。鉆場(chǎng)附近施工一個(gè)沉淀池，以便排水。該鉆場(chǎng)最終成孔15 個(gè)，總長(zhǎng)6 800 m，鉆孔直徑為113 mm，鉆孔成孔圖如圖4 所示。

表1 工作面內(nèi)煤層頂?shù)装迩闆r表

圖4 15203 工作面順槽順層定向鉆孔成孔圖

4 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果分析

4.1 鉆孔負(fù)壓對(duì)抽采量的影響分析

通過(guò)改變鉆孔抽采負(fù)壓可以分析不同鉆孔負(fù)壓對(duì)于抽采量的影響。為確定合理的負(fù)壓值，選取了5號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)鉆孔進(jìn)行分析，其中5 號(hào)鉆孔深度為777m，9 號(hào)鉆孔深度為786m，11 號(hào)鉆孔深度為780m，孔深基本相同，因此選取上述3 個(gè)鉆孔分析鉆孔負(fù)壓對(duì)抽采量的影響。各孔瓦斯抽采純量隨抽采負(fù)壓的變化如圖5—圖7 所示。

由圖5—圖7 可知，隨著負(fù)壓的增大，鉆孔抽采瓦斯純量也逐漸增加，但是達(dá)到某一負(fù)壓值后逐漸趨近于定值，其變化規(guī)律符合二次函數(shù)模型。通過(guò)對(duì)以上三組數(shù)據(jù)的分析可知，5 號(hào)孔的最佳合理負(fù)壓值為20 kPa，9 號(hào)孔的最佳合理負(fù)壓值為22.6 kPa，11 號(hào)孔的最佳合理負(fù)壓值為18.1 kPa。同樣地方法分析其他長(zhǎng)度鉆孔，最終得到理想負(fù)壓范圍為18～23 kPa。

4.2 鉆孔瓦斯?jié)舛?、?fù)壓及流量的關(guān)系

當(dāng)負(fù)壓基本穩(wěn)定時(shí)，分析抽采瓦斯純量、抽采瓦斯混合量及瓦斯?jié)舛戎g的關(guān)系。通過(guò)分析，選取2號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)孔為研究對(duì)象，考慮負(fù)壓穩(wěn)定，選擇固定負(fù)壓下總計(jì)60 d 的抽采情況。各孔固定負(fù)壓下抽采純量、混合量、瓦斯?jié)舛扰c抽采時(shí)間的關(guān)系曲線如圖8—圖10 所示。

圖5 5 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量隨抽采負(fù)壓變化曲線

圖6 9 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量隨抽采負(fù)壓變化曲線

圖7 11 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量隨抽采負(fù)壓變化曲線

由圖8—圖10 可知，同一負(fù)壓下，鉆孔瓦斯抽采純量、瓦斯?jié)舛染S抽采時(shí)間逐漸衰減，瓦斯抽采混合量也隨抽采時(shí)間逐漸減小，但是降幅小于瓦斯抽采純量。

4.3 鉆孔長(zhǎng)度對(duì)瓦斯抽采量的影響

圖8 負(fù)壓為12.5 kPa 時(shí)2 號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量、混合量、濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖9 負(fù)壓為10 kPa 時(shí)9 號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量、混合量、濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖10 負(fù)壓為5 kPa時(shí)9 號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量、混合量、濃度隨時(shí)間變化曲線圖

瓦斯抽采量的大小主要由煤層原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量共同決定，同時(shí)鉆孔瓦斯抽采量也與孔內(nèi)煤壁暴露面積有關(guān)，即與鉆孔深度有關(guān)。將不同長(zhǎng)度鉆孔瓦斯抽采量折算為百米鉆孔瓦斯流量，分析瓦斯流量與抽采時(shí)間的變化關(guān)系。選取3 號(hào)（鉆孔深度 444 m）、6 號(hào)（鉆孔深度 810 m）、12 號(hào)（鉆孔深度588 m）鉆孔百米鉆孔瓦斯流量為研究對(duì)象，作圖11—圖 13。

對(duì)圖11—圖13 進(jìn)行分析可得，不同鉆孔深度下鉆孔初始瓦斯抽采量（qc0）和瓦斯抽采量衰減系數(shù)（β）的變化關(guān)系符合負(fù)指數(shù)關(guān)系，即：

式中：qc0為百米鉆孔瓦斯初始抽采量；qct為t 時(shí)刻百米鉆孔瓦斯抽采量；β 為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)；t為鉆孔瓦斯抽采時(shí)間。

對(duì)圖11—圖13 各圖分析還可得，鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)β 在0.003/d～0.005/d 之間，鉆孔深度越長(zhǎng)，鉆孔的初始瓦斯流量越大，瓦斯抽采量衰減系數(shù)越小。說(shuō)明千米鉆孔可以有效增大鉆孔深度，在煤層中的擾動(dòng)范圍更大，進(jìn)而增大瓦斯抽采量。

5 結(jié)語(yǔ)

1）鉆孔負(fù)壓對(duì)千米鉆孔瓦斯抽采量的影響符合二次函數(shù)規(guī)律，其合理抽采負(fù)壓范圍為18～23 kPa；

圖11 3 號(hào)鉆孔百米鉆孔瓦斯流量隨抽采時(shí)間的變化曲線

圖12 6 號(hào)鉆孔百米鉆孔瓦斯流量隨抽采時(shí)間的變化曲線

圖13 12 號(hào)鉆孔百米鉆孔瓦斯流量隨抽采時(shí)間的變化曲線

2）抽采負(fù)壓一定時(shí)，鉆孔內(nèi)瓦斯抽采純量與瓦斯?jié)舛入S抽采時(shí)間的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，瓦斯抽采混合流量降幅小于抽采純量；鉆孔深度越大，鉆孔瓦斯抽采初始量越大，鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)越小。