大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在王莊煤礦的應(yīng)用

趙永剛

(潞安化工集團(tuán)王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

0 引言

煤層受開(kāi)采擾動(dòng)，使得工作面游離瓦斯沿裂隙通道運(yùn)移，從而聚集于采空區(qū)上方“O”形圈內(nèi)，制約了礦井的安全生產(chǎn)[1 -2]。因此，工作面瓦斯治理是瓦斯綜合治理不可或缺的一部分。劉澤功等[3]對(duì)覆巖環(huán)形裂隙圈進(jìn)行了相似模擬與數(shù)值模擬研究，提出了走向長(zhǎng)鉆孔抽采方法，完善了瓦斯抽采技術(shù)。楊鵬等[4]采用“以孔代巷”瓦斯抽采技術(shù)治理瓦斯，提出頂板定向長(zhǎng)鉆孔替代高抽巷治理采空區(qū)瓦斯模式。宋斌[5]對(duì)寺河礦大采高工作面不同臨空條件下圍巖滲透率與應(yīng)力應(yīng)變做了研究，提出了順序開(kāi)采高位鉆孔層位精準(zhǔn)確定方法。在定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方面，王鮮等[6]采用擴(kuò)孔技術(shù)疏通鉆孔等技術(shù)措施，有效解決淮南礦區(qū)頂板復(fù)雜地層中成孔難的問(wèn)題；曹文超等[7]進(jìn)行了多組試驗(yàn)，對(duì)比了φ94～φ153 mm孔徑鉆孔的抽采效果，發(fā)現(xiàn)隨著鉆孔直徑增大，抽采混量、純量等都出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)。賈明群[8]基于等轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)孔原理，采用正向多級(jí)大直徑擴(kuò)孔技術(shù)鉆孔將直徑增大至φ153 mm，顯著提升了瓦斯抽采效率；劉建林等[9]對(duì)孔口機(jī)械能和孔底壓力能多動(dòng)力聯(lián)合碎巖進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了φ120 mm/φ200 mm大直徑定向長(zhǎng)鉆孔的安全高效鉆擴(kuò)成孔，提升了綜合成孔效率。

基于此，從理論計(jì)算出發(fā)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定垮落帶、裂隙帶范圍以及布孔位置，以分析王莊煤礦8105回采面瓦斯抽采的效果，并驗(yàn)證高位定向鉆孔抽采瓦斯的可行性。

1 大孔徑高位定向鉆孔瓦斯抽采原理

采空區(qū)頂板巖層充分垮落后，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖1所示。隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，采空區(qū)中部冒落的巖體緊密排布，使得采動(dòng)裂隙閉合，而四周巖體的關(guān)鍵層下部由于煤壁的支撐作用讓裂隙發(fā)育區(qū)被充分保留，如此形成的“O”形圈為瓦斯聚集提供了優(yōu)良場(chǎng)所。頂板高位鉆孔起始位置布置于工作面回風(fēng)巷道內(nèi)鉆場(chǎng)，上仰開(kāi)孔，平行巷道并向工作面距離煤層頂板一定高度延伸。同時(shí)，為保證抽采過(guò)程中抽采鉆孔不受到破壞以持續(xù)抽采瓦斯，鉆孔終孔位置應(yīng)該坐落于一定高度的、離層裂隙豐富且?guī)r層位移相對(duì)較小的裂隙帶。大孔徑定向高位鉆孔技術(shù)要求使用的鉆孔直徑大，一般高于φ200 mm?，F(xiàn)有大孔徑定向鉆孔普遍采用“先導(dǎo)孔+分級(jí)多次鉆擴(kuò)”的施工模式，即先施工孔口套管段，固管完成后采用定向鉆進(jìn)施工d≤120 mm小直徑先導(dǎo)孔，使鉆孔軌跡沿裂隙帶鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)孔深，最后采用回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝進(jìn)行多級(jí)擴(kuò)孔將鉆孔孔徑擴(kuò)大。

圖1 高位定向長(zhǎng)鉆孔采空區(qū)抽采瓦斯示意Fig.1 Schematic diagram of gas extraction in goaf with high level directional long drilling hole

布置在回采工作面頂板合理層位的大孔徑定向高位鉆孔，能獲取更大的抽采能力，更加有效地?cái)r截上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛??；夭蛇^(guò)程能對(duì)采動(dòng)影響區(qū)卸壓瓦斯進(jìn)行有效抽采，回采過(guò)后也能繼續(xù)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，不僅在井下實(shí)際抽采效率上取得成效，也對(duì)支撐安全生產(chǎn)發(fā)揮了有益作用。

2 大孔徑高位定向長(zhǎng)鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工作面概況

王莊煤礦8105回采面位于81采區(qū)，工作面采高為3±0.1 m，其余為放頂煤高度，采放比為1∶1，其煤炭?jī)?chǔ)量約78.9萬(wàn)t；運(yùn)巷長(zhǎng)881 m，風(fēng)巷長(zhǎng)782 m，切眼長(zhǎng)度145 m?；夭擅嫠?號(hào)煤層，總煤厚為5.9 m，中間夾矸厚為0.35 m，煤層傾角為5°；底板標(biāo)高426～475 m，地面標(biāo)高902～904 m，賦存于二疊系山西組地層中下部，陸相沉積類型為湖泊型沉積；在工作面范圍內(nèi)，煤層厚度平穩(wěn)延伸，巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 8105工作面煤巖層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of coal and rock strata of 8105 working face

2.2 終孔層位選擇

2.2.1 垂直距離計(jì)算

上覆巖層的運(yùn)移及其裂隙分布情況對(duì)合理布置鉆孔位置至關(guān)重要。因此，鉆孔終孔位置選擇還要考慮豎直方向和水平方向2個(gè)主要因素。豎直方向鉆孔應(yīng)該布置在瓦斯?jié)舛雀?、裂隙豐富的裂隙帶中部，并避開(kāi)軟弱、碎裂的地層；水平方向以單孔有效抽采范圍為依據(jù)，靠近回風(fēng)巷布孔，以保證采空區(qū)和上隅角的抽采效果。根據(jù)瓦斯在采空區(qū)“三帶”的賦存規(guī)律、經(jīng)驗(yàn)公式[13]及綜放條件下垮落帶和裂隙帶高度統(tǒng)計(jì)公式[14]進(jìn)行計(jì)算，確定“三帶”高度和鉆孔布置參數(shù)[15]，為后續(xù)進(jìn)行鉆孔選擇合適的層位提供理論依據(jù)。采動(dòng)覆巖垮落帶Hm和裂隙帶高度Hf計(jì)算見(jiàn)式(1)(2)(3)(4)。

(1)

(2)

(3)

Hf=(1～3)Hm

(4)

式中，M為采厚，m；k為冒落頂煤碎脹系數(shù)，取1.25；α為煤層傾角，α=5°。

8105工作面累計(jì)采厚為6.0 m，根據(jù)公式(1)計(jì)算得垮落帶高度范圍為23.24～32.76 m，式(2)計(jì)算得23.69 m，因此得垮落帶高度為23.69 m。根據(jù)公式(3)計(jì)算得裂隙帶高度范圍為60.96～74.74 m，式(4)計(jì)算得23.69～71.07 m，因此得裂隙帶高度為71.07 m。

綜上，設(shè)計(jì)的高位鉆孔垂直距離Hz取值范圍為23.69 m

2.2.2 鉆孔窺視

為驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用CXK12(A)-Z鉆孔成像儀于回風(fēng)巷對(duì)3號(hào)煤層裂隙發(fā)育情況進(jìn)行窺視。

如圖3所示，0～22.7 m區(qū)域破壞嚴(yán)重，孔壁破碎；22.7～74.5 m區(qū)域受到采動(dòng)應(yīng)力壓剪破壞，裂隙發(fā)育并逐漸密集，其中56.9 m附近裂隙發(fā)育程度高；74.5 m以上區(qū)域較為平整，僅有輕微破碎?？梢园l(fā)現(xiàn)，3號(hào)煤層垮落帶大概范圍是0～22.7 m，裂隙帶大概范圍是22.7～74.5 m，彎曲下沉帶大概范圍在74.5 m及以上。鉆孔窺視法得出“三帶”高度的范圍與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，故鉆孔垂直距離層位總體選擇較為合理。綜上所述，終孔距煤層頂部高度范圍選擇23.69～71.07 m。

圖3 6#鉆孔裂隙發(fā)育窺視情況Fig.3 Peep at the development of 6# drilling hole fracture

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)與施工

鉆場(chǎng)布置在8105風(fēng)巷一側(cè)，距回風(fēng)繞道490 m，鉆場(chǎng)5 m×7 m×3 m(深×長(zhǎng)×高)。根據(jù)地質(zhì)情況和巷道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)施工6個(gè)定向鉆孔，孔深300～315 m。為提升瓦斯抽采效率和鉆孔成孔的安全高效，采用二次擴(kuò)孔技術(shù)。即先施工φ120 mm小直徑先導(dǎo)孔，后采用φ120 mm/φ165 mm/φ203 mm組合塔式擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔得到203 mm大孔徑鉆孔。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，高位鉆孔垂直距離Hz取值范圍為23.69～71.07 m，選擇在3號(hào)煤層頂板以上24～71 m。水平距離Hx取值范圍20～50 m，選擇層位控制在距離8105風(fēng)巷水平20～50 m。

為了明確8105回采面高位定向裂隙帶鉆孔的抽采情況，在8105風(fēng)巷掘進(jìn)1#鉆場(chǎng)。實(shí)際共施工6個(gè)鉆孔，施工總進(jìn)尺為1 797 m，各鉆孔實(shí)際施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 王莊煤礦8105工作面風(fēng)巷1#鉆場(chǎng)定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)

3.2 瓦斯抽采效果分析

1#、2#、4#、6#鉆孔從10月25日開(kāi)始接抽，3#、5#鉆孔從11月8日開(kāi)始接抽。各鉆孔抽采數(shù)據(jù)如圖4～6所示。

圖4 8105工作面風(fēng)巷各鉆孔瓦斯抽采混量Fig.4 Gas extraction and mixing amount of each drilling hole in the air roadway of 8105 working face

圖5 8105工作面風(fēng)巷各鉆孔瓦斯抽采平均純量Fig.5 Average net amount of gas extraction from each drilling hole in the air roadway of 8105 working face

圖6 8105工作面風(fēng)巷各鉆孔瓦斯抽采平均濃度Fig.6 Average concentration of gas extraction from each drilling hole in the air roadway of 8105 working face

可以看出，隨著抽采時(shí)間推進(jìn)，1#、2#鉆孔有相似的結(jié)論，即鉆孔瓦斯抽放混量和純量沒(méi)有明顯的變化，抽采效果較差，結(jié)合其實(shí)際施工參數(shù)判斷，其主要可能是鉆孔施工層位在同一高度較為接近的原因[18 -20]。3#定向鉆孔隨著時(shí)間推進(jìn)，鉆孔抽采混量較大，瓦斯?jié)舛容^低；11月29日瓦斯抽采純量最高，為3.5 m3/min，瓦斯抽采總混量21.5 m3/min，鉆孔瓦斯?jié)舛葹?6.2%。6#定向鉆孔初始瓦斯抽采效果較好，10月25日瓦斯抽采純量最高，為4.4 m3/min，瓦斯抽采總混量13.3 m3/min，鉆孔瓦斯?jié)舛葹?3.6%。5#定向鉆孔瓦斯抽采效果整體呈現(xiàn)一個(gè)逐漸下降又逐漸上升的走勢(shì)，11月19日瓦斯抽采純量最高，為5.1 m3/min，瓦斯抽采總混量26.8 m3/min，鉆孔瓦斯?jié)舛葹?9%。6#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)呈現(xiàn)整體逐漸走低的現(xiàn)象，在11月15日瓦斯抽采混量最大，但是瓦斯?jié)舛容^低。當(dāng)5#鉆孔開(kāi)始抽采時(shí)，6#鉆孔瓦斯抽采效果開(kāi)始逐漸變差。根據(jù)5#鉆孔與6#這2個(gè)鉆孔實(shí)際位置與抽采關(guān)系可知，2個(gè)鉆孔可能發(fā)生穿孔現(xiàn)象，致使6#鉆孔吸入大量空氣，故認(rèn)為5#鉆孔與6#鉆孔存在裂隙導(dǎo)通的現(xiàn)象。結(jié)合3#、6#這2個(gè)定向鉆孔其施工參數(shù)判斷，鉆孔分別可能位于裂隙帶下部和裂隙帶上部。

4#定向鉆孔10月25日開(kāi)始接抽，抽采純量與抽采濃度整體上逐漸下降，但相較于其他鉆孔均處于較佳水平。抽采混量隨著時(shí)間推進(jìn)呈現(xiàn)總體上升水平，12月4日達(dá)到最高水平，為20.5 m3/min。抽采純量最高水平為10月26日的6.8 m3/min?？傮w分析，4#定向鉆孔在6個(gè)鉆孔中抽采效果最好。結(jié)合3#、6#這2個(gè)鉆孔的終孔位置，4#定向鉆孔的層位選擇最為理想。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)“三帶”高度理論計(jì)算，并經(jīng)井下鉆孔窺視基本確定了采空區(qū)裂隙帶高度范圍是23.69～71.07 m。由此確定終孔位置為距煤層頂部高度24～71 m，距風(fēng)巷水平距離20～50 m的條帶范圍內(nèi)。

(2)根據(jù)抽采效果分析，4#定向鉆孔抽采效果最好；垂直距離55.6 m，水平距離33.8 m是各鉆孔里最為理想的層位，瓦斯抽采濃度最高達(dá)到35%。總體而言，本次大孔徑高位鉆孔總體選擇的層位較為合理。