晉城礦區(qū)松軟煤層定向長鉆孔區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)試驗研究

王 寧,李勝利

(山西科技學院,山西 晉城 048000)

1 晉城礦區(qū)松軟煤層基本概況

晉能控股煤業(yè)集團晉城礦區(qū)松軟煤層透氣性系數(shù)低,鉆孔易塌孔,抽采效果差、周期長,無法實現(xiàn)區(qū)域瓦斯治理。本文以晉能控股晉城礦區(qū)(原晉煤集團)下屬胡底煤業(yè)、長平煤業(yè)、趙莊煤業(yè)為研究對象,探究松軟煤層定向長鉆孔區(qū)域瓦斯治理技術(shù)。三個主力礦井皆存在松軟破碎煤層,但各礦煤層地質(zhì)條件不同,瓦斯賦存也不相同,如表1所示,因此需要“因礦制宜”,按照“一礦一策”的原則研究符合各礦實際情況的區(qū)域瓦斯治理模式。

表1 “三礦”地質(zhì)條件對比

1.1 胡底煤業(yè)

胡底煤業(yè)為高瓦斯突出礦井,年產(chǎn)量0.6 Mt/a,主采3#煤層,煤層平均厚度5.72 m,堅固性系數(shù)為0.65～1.32,在煤層頂、底板存在100～300 mm的軟煤分層,軟煤區(qū)域瓦斯難抽采,突出危險性高。該礦自2018年通過底抽巷穿層鉆孔進行定點水力沖孔,掏出軟煤分層,消除軟分層的突出危險性,促進了煤巷的快速掘進。1305底抽巷在應用水力掏煤技術(shù)后,該巷道瓦斯抽采體積分數(shù)由28%提升至40%,純量由36 m3/min提升至44 m3/min；煤巷掘進的月進尺提高了1.6～4.0倍,最高達到235 m/月。穿層鉆孔水力掏煤雖然能夠取得一定的效果,但只是局部措施,當應用在回采工作面時,鉆孔間距較大(10～20 m),存在抽采盲區(qū),無法解決工作面大區(qū)域的軟煤分層瓦斯突出問題。而使用普通鉆機施工順層鉆孔水力掏煤工程量大、無法定向,導致鉆孔分布不均衡，存在抽采盲區(qū)、卸壓效果差、壓鉆事故頻發(fā)等問題。需將底抽巷普鉆掏煤的工藝進行技術(shù)升級,將水力沖孔、定向鉆孔、無線隨鉆測量技術(shù)等相結(jié)合,對采掘工作面區(qū)域的軟分層進行精準治理,由局部轉(zhuǎn)向區(qū)域,解決采掘生產(chǎn)過程中軟分層易突出、難抽采的難題;同時減少底抽巷工程量及穿層鉆孔的成本,通過一條底抽巷解決多個采煤工作面的瓦斯治理問題,實現(xiàn)革命性降本增效。

1.2 長平煤業(yè)

長平煤業(yè)現(xiàn)證載生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a,屬高瓦斯礦井,3#煤層瓦斯含量西高東低,煤質(zhì)破碎,采掘區(qū)域原始瓦斯含量實測值在4.5～18.6 m3/t之間,煤的堅固性系數(shù)為0.2～0.8,煤層透氣性系數(shù)為0.011 6～0.052 0 m2/(MPa2·d),受泮溝向斜、大型斷層、背斜等區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造影響,煤層埋深和地質(zhì)條件變化大,區(qū)域分布極不均衡。采用地面井抽采先行、井下瓦斯治理為主的綜合治理模式,針對瓦斯含量較高的西部區(qū)域采用井上下聯(lián)合抽采;針對瓦斯含量較低的東部區(qū)域以井下抽采為主,采用本煤層順層鉆孔+底抽巷穿層鉆孔+千米鉆機高位定向鉆孔+普通鉆機中高位鉆孔綜合治理瓦斯[1]。雖然順層鉆孔深度可達100～150 m,但塌孔嚴重,鉆進軌跡偏移距離大,見矸不合格率達50%以上,篩管下入深度不足80 m,鉆孔抽采體積分數(shù)為18%～23%。主要依靠在底板巖巷施工大量的穿層鉆孔來治理瓦斯,穿層鉆孔抽采體積分數(shù)為25%～30%,雖然底抽巷鉆孔預抽效果較順層鉆孔好,基本可以起到消突作用,但抽采時間依然較長,無法滿足當前抽掘采的銜接需要。

1.3 趙莊煤業(yè)

趙莊煤業(yè)現(xiàn)證載生產(chǎn)能力為8.00 Mt/a,屬高瓦斯礦井。礦井瓦斯治理巖巷年進尺18 km,穿層鉆孔年進尺1 300 km,瓦斯治理工程量大。煤層瓦斯含量高(13～20 m3/t),煤層透氣性系數(shù)低(0.463 5～1.747 4 m2/(MPa2·d)),抽采達標時間平均需5～8 a。礦井工作面經(jīng)歷了從低瓦斯向高瓦斯區(qū)域逐步過渡的歷程,本煤層瓦斯治理模式也經(jīng)歷了順層鉆孔、底抽巷穿層鉆孔+順層鉆孔、底抽巷穿層鉆孔+順層鉆孔+水力沖孔等階段,先后研究了底抽巷水力沖孔、水力割縫等松軟煤層卸壓增透技術(shù),煤層透氣性得到一定提高,抽采量也在原先基礎(chǔ)上提高了2～5倍,但工程量大、耗時費力、效率低。通過煤層底抽巷施工定向鉆孔,結(jié)合水力掏煤技術(shù),高效抽采松軟煤層瓦斯,減少底抽巷布置數(shù)量和工程量,解決抽掘采銜接緊張問題,對促進礦井安全高效開采、革命性降本增效具有重要意義[2]。

2 松軟煤層定向鉆孔施工裝備及工藝

2.1 胡底煤業(yè)區(qū)域定向水力掏煤施工裝備及工藝

針對3#煤層頂、底板軟煤分層的情況,在13072巷、1309采面開展現(xiàn)場實驗,采用ZDY10000LS定向鉆機,鉆具串組合為Φ120 mm鉆頭+1.25°/Φ89 mm螺旋槽螺桿馬達+無線電磁波測量系統(tǒng)+沖孔水刀+Φ89 mm三棱螺旋槽鉆桿。采用在硬煤中鉆進主孔,軟煤中邊打鉆邊沖孔的施工工序。如圖1所示,打鉆時使用低壓高流量BLY290/11泵車,沖孔使用2臺高壓低流量BZWL200/31.5-Q200/12泵車并聯(lián)。

圖1 千米定向鉆機長鉆孔水力化增透裝備示意圖

施工工藝:①在硬煤中施工主孔至設計孔深,并探明頂、底板及軟分層位置;②從孔底向孔口倒退施工,開分支向軟分層位置施工,并在軟分層中鉆進30～45 m;③分支孔施工到位后,切換高壓清水泵車,邊退鉆,邊沖孔;④掏煤時,反復多次進、退鉆桿,進行重復掏煤,直至返出清水;⑤分支掏煤結(jié)束后,切換BLY290/11泵車施工下一個掏煤分支,循環(huán)作業(yè),直至所有分支掏煤結(jié)束。施工示意圖如圖2所示。

圖2 定向水力掏煤施工示意圖

2.2 長平煤業(yè)氮氣復合鉆進+定向長鉆孔施工裝備及工藝

針對長平礦的特殊煤層地質(zhì)條件,為解決碎軟煤層透氣性差、鉆進效率低、護孔管下至孔底困難等問題,開展了碎軟煤層氮氣/空氣復合定向鉆進技術(shù)+大功率鉆機定向長鉆孔技術(shù)研究,以解決碎軟煤層深孔定向鉆進難題,提高碎軟煤層瓦斯抽采效果。氮氣鉆進使用ZDY12000LD鉆機,制氮裝置為DM-1000/8(A),鉆具串組合為Φ108 mm鉆頭+1.25°/Φ83 mm螺旋槽氣動馬達+有線測量系統(tǒng)+Φ73 mm通纜鉆桿。在煤質(zhì)較硬、排渣順暢的區(qū)域采用滑動定向鉆進工藝,在煤質(zhì)破碎、排渣不暢通、容易塌孔的區(qū)域采用回轉(zhuǎn)+滑動復合定向鉆進的工藝,加強排渣,以防發(fā)生堵孔壓鉆事故[3]。

氮氣復合鉆進施工工藝如圖3所示。煤層定向長鉆孔采用ZYL-17000D大功率定向鉆機,最大轉(zhuǎn)矩17 000 N·m,起拔力250 kN；配套泥漿泵額定壓力29 MPa,額定流量285 L/min。采用Φ89 mm螺旋槽通纜鉆桿、Φ89 mm螺旋槽馬達及無磁鉆具,配套有線隨鉆測量裝置和Φ120 mm合金鉆頭。施工工藝:采用Φ120 mm普鉆鉆頭施工16 m,換Φ193 mm鉆頭擴孔,采用Φ160 mmPVC管注漿封孔；待凝固不低于4 h后,采用Φ89 mm螺旋槽通纜鉆桿+Φ89 mm螺旋槽馬達+無磁鉆具+Φ120 mm鉆頭定向鉆進。

圖3 氮氣復合鉆進施工工藝圖

2.3 趙莊煤業(yè)穿層定向長鉆孔施工裝備及工藝

研究適用于松軟破碎煤層的配套鉆具與儀器,形成適應趙莊礦煤層條件的定向長鉆孔鉆進施工工藝。順層長鉆孔使用ZYL-17000D大功率鉆機在1104巷試驗,鉆具采用Φ98 mm鉆頭+1.25°/Φ73 mm螺桿馬達+電磁波無線測量系統(tǒng)+Φ73 mm三棱螺旋槽鉆桿；穿層長鉆孔使用ZYWL-4500D定向鉆機在3318底抽巷試驗,鉆具采用Φ98 mm鉆頭+1.25°/Φ73 mm螺桿馬達+有線測量系統(tǒng)+Φ73 mm三棱螺旋槽通纜鉆桿。試驗工藝皆采用滑動+旋轉(zhuǎn)復合鉆進[4]。穿層定向鉆孔施工工藝如圖4所示。

3 現(xiàn)場試驗及效果

3.1 胡底煤業(yè)區(qū)域定向水力掏煤試驗

胡底煤業(yè)定向水力掏煤試驗地點在13091巷迎頭鉆場,試驗地點受構(gòu)造影響較大,煤厚5.20～6.15 m,平均厚度5.7 m,底部和上部均存在約0.3～0.4 m的軟分層,水平構(gòu)造應力較大,裂隙發(fā)育,煤體結(jié)構(gòu)較為破碎,軟分層上部煤層硬度系數(shù)為0.5～0.7,適合掏煤試驗。

使用ZDY10000LS鉆機配套BLY290/11泵車施工鉆孔,成孔后切換為2臺BZWL200/31.5-XQ200/12泵車進行掏煤。根據(jù)現(xiàn)場試驗,鉆孔施工時,使用普通泵車,壓力0～10 MPa,水力掏煤時切換為高壓泵車,壓力18～25 MPa,通過控制流量實現(xiàn)水刀切割小孔的開閉。施工過程中開分支時出現(xiàn)無法開出分支的問題,考慮以下原因:①在對當前鉆孔分支進行水力掏煤時,會將煤粉沖至該孔的其他分支,無法達到充分卸壓的效果;②水力掏煤會在鉆孔內(nèi)形成空洞,不便于軌跡控制,開分支存在困難,會降低施工效率。后更改設計,定向水力掏煤只施工主孔,孔深280 m,鉆孔間距10 m[5]。

截至2020年10月底,13091巷定向水力掏煤試驗完成水力掏煤孔27個,覆蓋范圍煤層走向280 m,煤層傾向290 m,總進尺7 244 m,總掏煤量1 754.62 m3。定向水力掏煤量平均每米0.24 m3,掏煤量占覆蓋范圍煤體總量的3.79‰,消除區(qū)域性軟分層,起到卸壓消突的效果。

鉆孔施工完畢,監(jiān)測穩(wěn)定抽采1個月的瞬時抽采純量,計算平均百米鉆孔流量,如表2所示。對比掏煤鉆孔與未掏煤鉆孔的抽采效果發(fā)現(xiàn),掏煤后百米鉆孔流量提升明顯,說明定向水力掏煤可以縮短本煤層瓦斯的預抽時間,提高抽采效果。

圖4 穿層定向長鉆孔施工工藝圖

表2 胡底煤業(yè)定向水力掏煤和未掏煤抽采效果對比

3.2 長平煤業(yè)氮氣打鉆+順層定向長鉆孔試驗

長平煤業(yè)在4326工作面和五盤區(qū)第一回風巷試驗了氮氣定向鉆進,共完成鉆孔42個,施工總進尺6 454.5 m。其中，最長孔深為310 m,孔深達到300 m以上的鉆孔4個,250～300 m鉆孔2個,200～250 m鉆孔9個,150～200 m鉆孔10個,100～150 m鉆孔2個,100 m以下鉆孔15個(大部分在1#、2#鉆場)。鉆孔全程下篩管護孔共完成10個。42個鉆孔平均孔深153 m,5#鉆場施工11個鉆孔平均孔深224 m,是水力排渣施工工藝的4.5倍。

為降低塌孔對抽采的影響,5#鉆場鉆孔施工完畢后使用Φ32 mm的PE篩管對鉆孔進行全程護孔。護孔方式為人工利用中空鉆桿內(nèi)部通道塞入篩管,完成護孔進尺2 331 m,最長護孔深度為303 m,為提高抽采效果奠定了基礎(chǔ)。在碎軟煤層中，氮氣排渣相比水排渣對煤體擾動更小,形成的孔壁較規(guī)整,試驗5#鉆場所有鉆孔百米鉆孔流量平均為0.02 m3/min,約是長平礦本煤層順層鉆孔平均百米流量水平的3倍。

現(xiàn)場試驗表明,碎軟煤層鉆進過程中,為保證正常鉆進排渣的需求,要求氮氣風量≥500 m3/h,當風量減小不足400 m3/h時,容易造成鉆渣堆積,引起孔內(nèi)阻力增加,增加卡鉆風險;對于孔口制氮機(空壓機)風源,要求孔口壓力≥1.3 MPa,才能滿足長鉆孔施工要求。

順層定向長鉆孔在4321輔運橫川處共計施工鉆孔4個,成孔2個,鉆孔最大深度420 m,具體施工情況如表3所示。順煤層鉆孔在30～60 m處易受應力影響,導致塌孔嚴重、鉆進困難,在地質(zhì)資料不詳時,需多探頂探底,避免鉆孔軌跡偏離太多。

表3 長平煤業(yè)定向長鉆孔施工情況表

3.3 趙莊煤業(yè)穿層定向長鉆孔試驗

在3318底抽巷共施工穿層定向長鉆孔4個,總進尺682 m,共計施工42 d,平均單臺工效16.2 m/d,煤段總進尺265 m。1312底抽巷切眼共計施工鉆孔37個,總進尺5 103 m,共計施工245 d,平均單臺工效20.8 m/d,煤段總進尺2 872.5 m?；具_到設計要求的鉆孔24個。2319底抽巷切眼共計施工鉆孔30個,總進尺4 364.5 m,共計施工143 d,平均單臺工效30.5 m/d,煤段總進尺2 656 m。采用ZYWL4500D定向鉆機在底抽巷施工穿層定向鉆孔,能夠掩護100 m煤段,順層定向長鉆孔最大孔深達到300 m。由表4可知,在平均百米煤段流量方面,定向穿層鉆孔是普鉆穿層鉆孔的1.7～3.6倍。

表4 普鉆穿層鉆孔與定向穿層鉆孔抽采情況對比表

1104巷千米鉆場共計施工順層定向長鉆孔4個。其中，1#孔42 m,2#孔58 m；3#孔主孔300 m(146～300 m煤矸混合),在80 m處開分支,施工到292 m；4#孔開8個分支,終孔孔深300 m,總進尺1 359 m,平均單臺工效20.3 m/d,煤段總進尺1 173 m。順層定向長鉆孔實施效果如表5所示,在平均百米煤段流量方面,定向順層長鉆孔是普鉆順層鉆孔的2.2倍。

表5 1104巷鉆場定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4 結(jié)論

通過定向長鉆孔技術(shù)在胡底煤業(yè)、長平煤業(yè)、趙莊煤業(yè)三礦松軟煤層的試驗,得出如下結(jié)論:

1)針對胡底煤業(yè)頂、底板軟煤層，采取定向長鉆孔向軟煤開分支,結(jié)合水力掏煤技術(shù),可有效提高軟分層瓦斯抽采效果。

2)針對長平煤業(yè)碎軟煤層,使用氮氣復合鉆進技術(shù)有助于排渣,孔口30～60 m應力集中區(qū)易塌孔,大功率鉆機可提高定向長鉆孔鉆進深度,但在軟煤和應力集中區(qū)軌跡易偏移,定向效果差。

3)針對趙莊煤業(yè)松軟低透煤層,使用定向鉆機+普通鉆機混合施工,滑動+定向復合鉆進工藝可提高煤段進尺,達到100～150 m,能夠增加瓦斯抽采量,提高底抽巷利用效率。