大采高工作面采空區(qū)瓦斯治理上的研究與應(yīng)用

張俊霞

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦，中國·河南 新鄉(xiāng) 453600

1 引言

為全面處理采空區(qū)瓦斯超限問題，應(yīng)用高位大直徑定向長鉆孔治理上隅角瓦斯，結(jié)合煤礦采煤工作面實際情況，研究高位定向長鉆孔的合理布置層位，合理設(shè)計鉆孔軌跡，精準(zhǔn)施工至預(yù)定層位，大幅度提高高位抽采鉆孔的利用效率，形成以孔代巷上隅角瓦斯治理模式，實現(xiàn)采空區(qū)抽采瓦斯穩(wěn)定、連續(xù)，杜絕上隅角瓦斯超限，確保安全高效回采，充分保障職工生命安全。

2 高位大直徑定向長鉆孔采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究

2.1 布孔層位研究

高位鉆孔層位布設(shè)是否合理，會對采空區(qū)瓦斯抽采效果造成直接影響。工作面持續(xù)作業(yè)過程中，煤層頂板上覆巖層極易受力垮塌，導(dǎo)致采空區(qū)上方形成“豎三帶”，即彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶。裂隙帶中聚集大量煤層瓦斯，抽采瓦斯效果顯著。因此抽采瓦斯的最佳層位應(yīng)當(dāng)設(shè)置在裂隙帶中，鉆孔布設(shè)高度應(yīng)當(dāng)大于冒落帶高度，小于裂隙帶高度。

當(dāng)前技術(shù)手段尚不能精確確定“豎三帶”發(fā)育高度，主要是根據(jù)經(jīng)驗公式計算，例如，某礦采煤工作面煤層直接頂為粉砂巖，老頂為砂巖，采高平均為2.8m，選擇中硬巖性經(jīng)驗公式計算[1]。

①冒落帶高度可使用如下統(tǒng)計公式：

式中：Hm——冒落帶的高度；

M——開采煤層的厚度。根據(jù)上式得冒落帶高度Hm=10.4～14.4m。②裂隙帶高度可使用如下統(tǒng)計公式：

式中：HL——裂隙的帶高度；

M——開采煤層的厚度。

根據(jù)上式得裂隙帶高度為39.6～50.8m。

③裂隙帶高度以上都是彎曲下沉帶。

因此14030 工作面高位定向長鉆孔應(yīng)布置在煤層頂板以上14.4～50.8m 的裂隙帶層位中。

2.2 高位定向長鉆孔成孔技術(shù)

2.2.1 定向鉆進(jìn)技術(shù)

千米定向鉆機(jī)裝備有泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，能夠及時掌握鉆孔施工情況，及時調(diào)整鉆孔軌跡，確保鉆孔定向施工。隨鉆測量裝置由計算機(jī)、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲器、壓力變送器和探管組成。千米鉆機(jī)在采用螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)過程中，將探管連接在螺桿馬達(dá)后面，測量短節(jié)檢測到泥漿泵關(guān)泵信號后，啟動孔內(nèi)儀器實時采集鉆孔軌跡參數(shù)（傾角和方位角）和定向鉆具狀態(tài)參數(shù)（工具面向角）等孔內(nèi)工程參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，當(dāng)檢測到泥漿泵開泵信號后，將測量的數(shù)據(jù)傳遞給脈沖發(fā)生器，并驅(qū)動號驅(qū)動脈沖發(fā)生器內(nèi)的電磁閥動作，限制部分清水流入鉆桿柱，從而產(chǎn)生泥漿壓力正脈沖，安裝在泥漿泵的出水口的壓力變送器檢測來自孔內(nèi)儀器的清水脈沖信息，并通過有線方式傳遞到防爆計算機(jī)，防爆計算機(jī)內(nèi)系統(tǒng)軟件按預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則對壓力脈沖信號進(jìn)行解調(diào)，得出正確的鉆孔軌跡和定向鉆具狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過防爆計算機(jī)的屏幕進(jìn)行顯示[2]。

2.2.2 開分支技術(shù)

在定向鉆進(jìn)過程中，每間隔一定距離需預(yù)留一個分支點(diǎn)，以備需要開分支時使用，分支點(diǎn)預(yù)留位置應(yīng)選擇在鉆孔傾角正向增加處。當(dāng)定向鉆進(jìn)過程中遇到破碎帶等異常情況難以通過時，需開分支繞過異常區(qū)。開分支時，退鉆至預(yù)留分支點(diǎn)，將工具面調(diào)整至朝下方向，采用減壓、控速鉆進(jìn)。當(dāng)鉆機(jī)給進(jìn)壓力增大，泥漿泵壓力略有增加，鉆孔返水含巖屑增多時，對分支點(diǎn)以里鉆孔用隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行測量，若測量出的傾角、方位角等參數(shù)與原鉆孔對比產(chǎn)生偏差，則開分支成功。在主孔上合理開設(shè)分支，能夠減少鉆孔開孔次數(shù)，提高鉆孔施工效率[3]。

2.2.3 回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔技術(shù)

該項技術(shù)是通過使用指定擴(kuò)孔鉆頭與長鉆孔連接，擴(kuò)孔至孔底，通過回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔能夠使鉆孔直徑擴(kuò)大，需要根據(jù)實際施工情況、鉆頭設(shè)備能力以及地質(zhì)狀況，合理選擇擴(kuò)孔方式，并且確保鉆孔直徑滿足設(shè)計要求。

2.3 高位定向長鉆孔主要施工裝備

2.3.1 定向鉆機(jī)

施工高位定向長鉆孔多使用千米定向鉆機(jī)，該設(shè)備主要包括一體式與多體式，根據(jù)井下工作面的實際需求，合理選擇鉆機(jī)型號，實施定向鉆進(jìn)。

2.3.2 泥漿泵

在定向鉆進(jìn)設(shè)備中，泥漿泵是重要的動力裝置，能夠確保沖洗介質(zhì)完成驅(qū)動螺桿鉆具、冷卻潤滑鉆具以及攜帶巖屑等功能，同時能夠清晰顯示出水力損失，對孔內(nèi)情況進(jìn)行判斷。由于泥漿泵種類比較多，所以需要根據(jù)實際情況合理選擇。

2.3.3 隨鉆測量系統(tǒng)

鉆孔施工時，極易受到巖性影響，導(dǎo)致鉆孔與設(shè)計軌跡偏離。該系統(tǒng)能夠?qū)︺@孔軌跡進(jìn)行測量，及時反饋鉆進(jìn)信息，使施工人員能夠及時掌握鉆進(jìn)情況，隨時對鉆孔參數(shù)進(jìn)行修改，確保鉆孔能夠按照設(shè)計軌跡鉆進(jìn)。

3 14030 大采高工作面高位定向長鉆孔布置方案

3.1 總體設(shè)計方案

14030 大采高工作面上順槽長度2095m，下順槽長度2270m，切眼長度201m，工作面采用U 型通風(fēng)，下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)。工作面上隅角瓦斯治理設(shè)計采用高位定向長鉆孔進(jìn)行抽采，總體設(shè)計分4 個階段施工，分別利用14030工作面上順槽通尺1700m 鉆場、1200m 鉆場、700m 鉆場、200m 鉆場施工，每一階段進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。

3.2 第一階段設(shè)計方案

第一階段施工地點(diǎn)位于14030 上順槽1700m 千米鉆機(jī)鉆場，設(shè)計采用ZDY12000LD 鉆機(jī)施工，共設(shè)計4 個主孔,4 個分支孔，距回風(fēng)巷平距分別為0m、6m、15m、21m、30m、37m、42m、50m。每個鉆孔孔深405m，總孔深2883m。主孔開孔位置位于鉆場左幫，孔號分別為1 號、2 號、3 號和4 號，左右孔間距1m，上下孔間距0.5m。主孔開孔孔徑153mm，正常鉆進(jìn)孔徑為120mm。

施工過程中每間隔20～30m 至少留設(shè)1 個分支點(diǎn)，每6m 偏角率不大于1.5°。鉆孔結(jié)構(gòu)：下一級套管固管，一級套管深度60m，套管直徑146mm，固管后進(jìn)行耐壓試驗，壓力不小于10MPa，穩(wěn)壓不小于30min。

鉆孔布置平面圖如圖1所示。

圖1 鉆孔布置平面圖

鉆孔布置剖面圖如圖2所示。

圖2 鉆孔布置剖面圖

鉆孔布置斷面圖如圖3所示。

圖3 鉆孔布置斷面圖

3.3 鉆進(jìn)成果

目前第一階段鉆場已施工完成，共施工4 個主孔，24個分支孔，單孔孔深98～407m，總孔深8321m。

鉆孔實鉆平面圖如圖4所示。

圖4 鉆孔實鉆平面圖

鉆孔實鉆剖面圖如圖5所示。

圖5 鉆孔實鉆剖面圖

4 瓦斯抽采效果分析

經(jīng)過5 個月實際觀測數(shù)據(jù)顯示：14030 工作面高位定向長鉆孔抽采負(fù)壓平均為20～26kPa，瓦斯?jié)舛葹?.49%～20%，累計抽出瓦斯量71280m3。

14030 大采高工作面實際配風(fēng)量為1760～1795m3/min，割煤期間工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.3%左右，較之前濃度降低0.1%，上隅角瓦斯得到有效的控制。

5 結(jié)語

定向長鉆孔能夠精準(zhǔn)定向鉆進(jìn)，通過隨鉆測量系統(tǒng)，可以及時調(diào)整鉆孔軌跡，確保鉆孔施工至目標(biāo)層位，提高抽采效果；鉆孔成孔距離長，使工作面每循環(huán)治理長度增加，總治理次數(shù)減少，所需鉆場數(shù)量大大減少；鉆孔可實現(xiàn)一孔多分支，減少開孔次數(shù)，施工效率大大提高；鉆孔施工后進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)孔，可提高瓦斯抽采效率。因此采用大直徑高位定向長鉆孔代替高抽巷和普通高位鉆孔，成為當(dāng)今采空區(qū)瓦斯治理的趨勢。