復(fù)雜頂板巖層高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究

王 佳

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

采空區(qū)瓦斯作為礦井瓦斯的主要來(lái)源之一，一直是煤礦瓦斯治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦治理采空區(qū)瓦斯常用的方法主要有地面鉆孔法、尾巷法、埋管法、頂板高抽巷法、普通高位鉆孔法等，雖然取得了不錯(cuò)的治理效果，但普遍存在投資成本較高、維護(hù)費(fèi)用大、抽采時(shí)間相對(duì)較短、管理困難等缺陷[2]。

工作面推進(jìn)后，后方的上覆巖層垂向上垮落形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)逐漸穩(wěn)定，中部的裂隙會(huì)趨于壓實(shí)而消失，而采空區(qū)四周邊緣由于受到煤柱的支撐作用，會(huì)形成一個(gè)存在大量裂隙、連續(xù)的瓦斯運(yùn)移通道，即“O”形圈[3]?！癘”形圈能夠長(zhǎng)期存在，其內(nèi)部裂隙中賦存大量瓦斯，該理論對(duì)抽采臨近層瓦斯治理提供了指導(dǎo)。基于高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的原理：采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，將鉆孔施工至裂隙帶，導(dǎo)通“O”形圈裂隙，從而保證工作面回采過(guò)程中，高位定向長(zhǎng)鉆孔始終處于裂隙帶范圍內(nèi)，利用抽采負(fù)壓引流采空區(qū)瓦斯，進(jìn)而達(dá)到降低工作面、上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊哪康腫4]。眾多學(xué)者對(duì)高位定向鉆孔做了大量研究：閆保永[5]通過(guò)對(duì)高位定向鉆孔與普通穿層鉆孔抽采效果的比較，得出“高位定向鉆孔抽采效果更顯著，有效孔段和抽采時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)、抽采濃度更高”的結(jié)論；胡良平[6]分析了高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果主控因素及影響規(guī)律，提出了適用高位定向長(zhǎng)鉆孔的條件；洪建俊[7]等在桃園礦復(fù)雜巖層中成功實(shí)現(xiàn)最大孔深為 956 m 的高位定向鉆孔，并取得了良好的瓦斯抽采效果，為高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

大淑村礦172107工作面回采2號(hào)煤層，走向長(zhǎng)677 m，傾斜長(zhǎng)205 m，煤厚約5.4 m，煤層傾角平均23°，工作面呈東西向，橫跨于寬緩背斜(77′孔背斜)的傾伏端。背斜軸位于工作面中部，軸向NE5°，背斜西翼煤巖層走向NE40°-60°，傾向NW，傾角11°～32°，東翼煤巖層走向SE60°-100°，傾向NE為主,傾角14°～26°。

工作面回采2號(hào)煤層，頂板巖層復(fù)雜，影響鉆孔施工：頂板巖層中賦存有煤線，煤質(zhì)比較松軟，以往施工過(guò)程中，受鉆具振動(dòng)和沖洗液的共同影響，煤線容易垮落形成破碎帶，給施工帶來(lái)困難；且頂板巖層多為粉砂巖、細(xì)砂巖交互地層，鉆孔施工中粉砂巖近似于泥巖，存在縮徑或者塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，粉砂巖中還含有菱鐵礦結(jié)核，造成鉆頭磨損；在斷層等構(gòu)造帶處，巖層受到擠壓，巖石破碎，施工鉆孔穿過(guò)斷層時(shí)，易出現(xiàn)塌孔；地層沿推進(jìn)方向?yàn)橐槐承睒?gòu)造, 剖面上鉆孔為“∩”型，導(dǎo)致鉆孔部分孔段在目標(biāo)層位中延伸時(shí)整體呈負(fù)角度走勢(shì),影響鉆孔鉆屑的及時(shí)排出，不利于施工。

2 工程應(yīng)用

2.1 高位定向長(zhǎng)鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆場(chǎng)布置在172107回風(fēng)巷210號(hào)點(diǎn)處，鉆孔開(kāi)孔時(shí)距工作面推采位置520 m。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)施工4個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔，距回風(fēng)巷分別為10 m、20 m、30 m和40 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得，垂向上鉆孔布置層位為煤層頂板上方12～46 m處，內(nèi)距回風(fēng)巷的水平距離8.7～68.3 m。

2.2 鉆進(jìn)設(shè)備

工程采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法開(kāi)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(kāi)孔段使用D89 mm螺旋鉆桿串+D120 mmPDC鉆頭組合，在擴(kuò)孔段使用D89 mm螺旋鉆桿+D153 mmPDC鉆頭組合，下套管時(shí)使用D146 mm孔口管，下至穿過(guò)煤層。鉆頭采用D120 mm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6 m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。

2.3 高位定向長(zhǎng)鉆孔工程應(yīng)用

采用精確的地層標(biāo)定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料注漿加固破碎帶、下套管技術(shù)等措施，克服了復(fù)雜巖層對(duì)施工的影響，共施工4個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔。

1號(hào)鉆孔：開(kāi)孔傾角10°，開(kāi)孔方位85.2°，垂高距2號(hào)煤層頂板18 m，距離巷幫10 m，孔口段下套管護(hù)孔。鉆進(jìn)至60 m處出現(xiàn)塌孔，根據(jù)巷道平面圖顯示，此處存在斷層，選擇采用專用封孔材料注漿穿過(guò)斷層破碎帶。在308～318 m處，鉆孔進(jìn)入粉砂巖段，出現(xiàn)塌孔，無(wú)法通過(guò)，采用排渣能力強(qiáng)的外螺旋鉆桿配合無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，成功穿過(guò)粉砂巖段。鉆進(jìn)至378 m處，砂巖層恢復(fù)初始產(chǎn)狀，鉆孔高度距頂板約16.7 m，后保持在距頂板約17 m高度施工，鉆孔穩(wěn)定在砂巖中，終孔深度538 m，進(jìn)入采空區(qū)。

2號(hào)鉆孔：距離巷幫20 m，采用大角度開(kāi)孔穿越1號(hào)煤線，鉆進(jìn)至354 m，地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，鉆孔進(jìn)入粉砂巖段，出現(xiàn)塌孔。

3號(hào)鉆孔：距離巷幫30 m，無(wú)法通過(guò)，采用螺旋鉆桿配合無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)成功穿過(guò)，終孔深度513 m，進(jìn)入采空區(qū)，設(shè)計(jì)高度在煤層上方30 m。

4號(hào)鉆孔：終孔深度473 m，進(jìn)入采空區(qū)，該孔施工距離2號(hào)煤層頂板約35 m，平面距巷幫40 m。

2.4 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行接抽并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)記錄高位定向長(zhǎng)鉆孔和之前普通高位鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，并繪制鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量對(duì)比圖(圖1和圖2)。

圖1 高位定向長(zhǎng)鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比

圖2 高位定向長(zhǎng)鉆孔與普通高位鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比

從圖1和圖2可以看出，172107工作面在回采初期高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞勘绕胀ǜ呶汇@孔增加得慢，但是隨著工作面的不斷推進(jìn)，高位定向長(zhǎng)鉆孔導(dǎo)入裂隙帶的孔段增加，與采空區(qū)導(dǎo)通更加豐富，瓦斯抽采純量與抽采濃度不斷增加，并進(jìn)入穩(wěn)定抽采期；而隨著工作面推進(jìn)，普通高位鉆孔有效抽采孔段逐漸縮短，瓦斯抽采純量和抽采濃度均迅速進(jìn)入低位，并持續(xù)在低位徘徊。在采用高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)治理瓦斯之前，工作面推進(jìn)至普通高位鉆孔交替段時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛冉?jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)，瓦斯?jié)舛让黠@增大，現(xiàn)利用高位定向長(zhǎng)鉆孔有效避免了鉆孔交替布置時(shí)出現(xiàn)的瓦斯?jié)舛仍龃蟋F(xiàn)象，保證了工作面安全回采。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 針對(duì)復(fù)雜巖層破碎帶、構(gòu)造、地層負(fù)傾角等問(wèn)題，采用精準(zhǔn)的地層標(biāo)定、大角度穿越破碎帶、專用封孔材料等技術(shù)，成功施工了高位定向長(zhǎng)鉆孔，形成了復(fù)雜巖層高位定向長(zhǎng)鉆孔施工工藝。

2) 高位定向長(zhǎng)鉆孔與普通高位鉆孔相比，抽采覆蓋范圍更廣，抽采時(shí)間更長(zhǎng)，無(wú)瓦斯波動(dòng)增大現(xiàn)象，可以替代普通高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯。