高位定向長(zhǎng)鉆孔高效抽采技術(shù)的應(yīng)用

唐強(qiáng)

摘 要：本文結(jié)合試驗(yàn)礦井生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)礦井“三帶”進(jìn)行分析，確定了高位定向長(zhǎng)鉆孔施工層位為煤層頂板上方20～25 m，并對(duì)高位鉆孔現(xiàn)場(chǎng)布置參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該技術(shù)后，工作面上隅角及回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛确謩e控制在0.6%、0.5%以內(nèi)，為采面安全高效回采創(chuàng)造了良好條件。

關(guān)鍵詞：高位鉆孔;采空區(qū);瓦斯抽采

中圖分類號(hào)：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）10-0060-03

Application of High-Efficiency Drainage Technology for High-Position Directional Long Boreholes

TANG Qiang

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037）

Abstract： Combined with the actual production situation of the test mine， this paper analyzed the "three zones" of the mine， determined that the construction horizon of the high-level directional long drilling was 20-25 m above the coal seam roof， and designed the site layout parameters of the high-level drilling. After field application of the technology， the gas concentration in the upper corner of the working face and the return air flow is controlled within 0.6% and 0.5% respectively， which creates good conditions for safe and efficient mining.

Keywords： high drilling;goaf;gas drainage

瓦斯災(zāi)害是煤礦的主要災(zāi)害之一，不僅會(huì)給工作人員的生命安全造成很大的威脅，而且會(huì)帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。煤礦工程技術(shù)人員和科研院校的學(xué)者在瓦斯災(zāi)害治理方面做了大量研究，使煤礦瓦斯災(zāi)害事故率逐年下降。但是，高突礦井工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。而采空區(qū)瓦斯涌出是工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯的重要來源之一。常規(guī)的采空區(qū)瓦斯治理方法主要有上隅角埋管或插管抽采、頂板高位巷抽采等[4-6]，但這些方法存在施工量大、難度高、抽采效果不穩(wěn)定等問題，急需研究應(yīng)用新技術(shù)及工藝解決采空區(qū)瓦斯治理難題，為礦井安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 礦井概況

試驗(yàn)礦井位于云南省昭通市，礦井核定生產(chǎn)能力為0.6 Mt/a，經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出礦井。礦井的可采煤層是C1、C5煤層，主采C5煤層，該煤層原始瓦斯含量最大為11.25 m3/t，原始瓦斯壓力最大為1.74 MPa。W1102綜采工作面位于礦西一采區(qū)，其走向長(zhǎng)度為790.0 m，切眼長(zhǎng)度為150.0 m?；夭蓞^(qū)域內(nèi)煤層瓦斯賦存條件穩(wěn)定，煤層水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層平均厚度為4.5 m，煤層傾角為6°～12°，平均傾角為10°，為緩傾斜煤層，采用MG900/2245-GWD型大功率厚煤層割煤機(jī)進(jìn)行采煤。工作面基本參數(shù)見表1。

W1102綜采工作面回采的煤層瓦斯含量、壓力分別為11.25 m3/t和1.74 MPa，瓦斯是制約綜采工作面生產(chǎn)安全的主要因素。在綜采工作面回采前期，雖然利用本煤層瓦斯抽采鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行了預(yù)抽，但是綜采工作面回采期間，采空區(qū)內(nèi)瓦斯仍向回采空間大量涌出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)上隅角位置平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.75%，存在瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。為了確保綜采工作面回采安全，提出使用高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)采空區(qū)頂板瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，從而減少采空區(qū)瓦斯涌出量。

2 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)及應(yīng)用

瓦斯抽采是降低瓦斯涌出量、提高采面生產(chǎn)安全的主要技術(shù)手段，根據(jù)采面瓦斯涌出特征，采用針對(duì)性的瓦斯抽采技術(shù)可起到較為顯著的瓦斯治理效果[7-9]。本文提出采用高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)W1102工作面頂板裂隙瓦斯進(jìn)行抽采，以降低采空區(qū)瓦斯涌出量。

2.1 施工技術(shù)基礎(chǔ)

高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采煤層瓦斯技術(shù)的實(shí)施是基于礦井煤層開采過程中會(huì)引起上覆巖層的變化的“三帶”理論，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶（見圖1），向裂隙帶定向施工長(zhǎng)鉆孔抽采煤層瓦斯。在煤層開采過程中，采空區(qū)原煤層直接頂破碎下沉后，老頂上覆巖層在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，這些裂隙的產(chǎn)生為采空區(qū)瓦斯提供了儲(chǔ)存空間。由于瓦斯密度相對(duì)空氣密度較小，在裂隙產(chǎn)生后，有一部分瓦斯隨時(shí)間推移會(huì)逐漸擴(kuò)散、滲透進(jìn)裂隙中。此時(shí)，利用定向鉆機(jī)的定向糾偏功能可以保證向裂隙帶施工定向長(zhǎng)鉆孔的精準(zhǔn)度，從而達(dá)到高效抽出采空區(qū)瓦斯的目的，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯的有效治理，降低采空區(qū)瓦斯災(zāi)害的危險(xiǎn)性，保障礦井采煤工作面安全高效回采。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)及施工

根據(jù)礦井煤層實(shí)際情況和生產(chǎn)實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，選擇煤層頂板上方20～25 m為定向長(zhǎng)鉆孔施工層位，鉆孔終孔位置與W回風(fēng)順槽水平間距為20～40 m。在采空區(qū)巖層裂隙帶（煤層頂板上方20～25 m范圍內(nèi)）設(shè)計(jì)施工3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔作為瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)施工深度均為400 m，鉆孔具體參數(shù)見表2，鉆孔位置見圖2。

利用礦井自購(gòu)的ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓鉆機(jī)施工高位定向長(zhǎng)鉆孔。受煤層上覆巖層變化及鉆機(jī)操作工熟練程度等不確定因素的影響，實(shí)際施工深度與完成深度存在一定偏差，但偏差在合理的范圍內(nèi)：1號(hào)孔設(shè)計(jì)深度400 m，實(shí)際施工完成深度為350 m;2號(hào)孔設(shè)計(jì)深度400 m，實(shí)際施工完成深度為450 m;3號(hào)孔設(shè)計(jì)深度400 m，實(shí)際施工完成深度為420 m，鉆孔總進(jìn)尺為1 220 m，達(dá)到預(yù)期施工設(shè)計(jì)要求。3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔初始利用直徑為89 mm的鉆頭進(jìn)行施工至成孔，成孔后更換為直徑133 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔至終孔位置，待鉆孔最終施工完畢后，采用“兩堵一注”封孔工藝對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔。1—3號(hào)高位定向長(zhǎng)鉆孔封孔長(zhǎng)度均為20 m，封孔完成8 h后即可接入礦井高負(fù)壓抽采管路，抽采負(fù)壓確定為13 kPa。

2.3 效果分析

封孔完畢后接入礦井高負(fù)壓抽采管路進(jìn)行抽采，并安排專人每天對(duì)3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行記錄，搜集整理3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔連抽60 d的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3可知，3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采濃度為18%～45%。其中，1號(hào)孔瓦斯抽采濃度波動(dòng)較大，瓦斯抽采濃度整體偏低。經(jīng)過分析得知，該鉆孔距離工作面回風(fēng)巷道較近，受巷道掘進(jìn)過程中采動(dòng)的影響，巷道周邊圍巖產(chǎn)生大量裂隙，該區(qū)域部分瓦斯通過裂隙進(jìn)入回風(fēng)流，隨風(fēng)排出，從而導(dǎo)致鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)一定程度降低和波動(dòng)現(xiàn)象。

從圖4可知，1號(hào)孔平均日抽采純量為3 116.25 m3，累計(jì)抽采純量為37 395 m3;2號(hào)孔平均日抽采純量為2 547.5 m3，累計(jì)抽采純量為30 570 m3;3號(hào)孔平均日抽采純量為3 646.67 m3，累計(jì)抽采純量為43 760 m3。3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔經(jīng)過一段時(shí)間的抽采后，瓦斯抽采純量呈現(xiàn)快速提升的趨勢(shì)，持續(xù)增加約20 d后，逐漸趨于平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。經(jīng)過分析可知，隨著抽采時(shí)間的增加，工作面回采距離也在增加，由于采煤過程中不可避免地會(huì)遺留一部分頂煤或底煤，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯大量增加，進(jìn)而導(dǎo)致3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔單日瓦斯抽采純量出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最終達(dá)到峰值，逐步趨于平穩(wěn)。同時(shí)，在工作面回采過程中，通過分析礦井在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.6%，巷道回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.5%，均未超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的要求，工作面回采速度得到了較大提升，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。

3 結(jié)論

采用ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓鉆機(jī)施工高位定向長(zhǎng)鉆孔，對(duì)W1102工作面回采期間采空區(qū)瓦斯涌出進(jìn)行治理，取得主要結(jié)論為以下幾點(diǎn)。

①選擇煤層頂板上方20～25 m為高位定向長(zhǎng)鉆孔施工層位，符合礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，能有效抽采工作面采空區(qū)瓦斯。

②通過利用高效定向長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，工作面回采速度得到提升，采空區(qū)未出現(xiàn)異常情況。

③通過對(duì)高效定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，并結(jié)合回采過程中上隅角和回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋J(rèn)為高效定向長(zhǎng)鉆孔能夠有效解決上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

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