順層定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)研究

鄧林峰

(中國中煤能源集團(tuán)有限公司,北京 100020)

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)因其簡(jiǎn)單高效的施工方法、精準(zhǔn)可控的施工軌跡、長(zhǎng)距離大直徑的成孔性能等特點(diǎn)[1-3],近年來在我國煤礦地質(zhì)勘探以及瓦斯、水害、沖擊地壓等災(zāi)害治理工作中得到了大力推廣和廣泛應(yīng)用[4-7],特別是在瓦斯治理方面。2018年國家煤礦安監(jiān)局將頂板高位大直徑定向鉆孔采動(dòng)瓦斯抽采技術(shù)與高效快速成孔技術(shù)裝備列為第三批煤礦重大災(zāi)害防治先進(jìn)適用技術(shù)裝備;2019年修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》指出要增加定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施。趙旭生等[8]提出的定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在試驗(yàn)中取得成功,為高效治理瓦斯提供了新的途徑。王平虎[9]針對(duì)特大型突出礦井,通過順層定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域消突。陳功華等[10]也對(duì)近距離煤層群高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯進(jìn)行抽采,上隅角和回風(fēng)巷瓦斯含量下降明顯。呂高磊等[11]研究了松軟煤層穿層定向長(zhǎng)鉆孔的鉆進(jìn)工藝,鉆孔流量有所提高。朱興攀等[12]通過改進(jìn)的長(zhǎng)鉆孔及改進(jìn)的施工工藝,使工期縮短并有效解決了瓦斯超限問題?；〗艿萚13]采用長(zhǎng)鉆孔技術(shù)有效消除了煤層突出的危險(xiǎn)性。近年來,結(jié)合水力壓裂、水力割縫、帶壓封孔、篩管護(hù)孔等技術(shù)工藝的不斷進(jìn)步,定向鉆孔正逐漸代替常規(guī)鉆孔成為煤礦瓦斯安全高效抽采的重要方法。

山西高家莊煤礦目前主采2號(hào)和3號(hào)煤層,煤層瓦斯含量大,瓦斯致災(zāi)因素較為嚴(yán)重,加上建成投產(chǎn)時(shí)間較短,礦井瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)、裝備及專業(yè)力量上均存在一定不足,影響了安全生產(chǎn)。尤其是礦井進(jìn)入東翼開拓新采區(qū)時(shí),煤層瓦斯含量進(jìn)一步增大,孤立治理單一煤層瓦斯的舊模式嚴(yán)重制約了巷道掘進(jìn)進(jìn)度,礦井單進(jìn)水平一直在低位數(shù)徘徊。為了提高瓦斯抽采效率,縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間,提出利用順層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)以及定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域預(yù)抽工程,進(jìn)行礦井瓦斯治理。

1 工程概況

高家莊煤礦位于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)南部,井田面積39.98 km2,一期建設(shè)規(guī)模1.2 Mt/a(總建設(shè)規(guī)模3.0 Mt/a)。礦井井田地質(zhì)構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型,總體為一走向NW傾向SW的單斜構(gòu)造。主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組,平均總厚度149.88 m;共含煤11層,自上而下為1、2、3、4、5、6、7、8上、8、9+10、11號(hào)煤層,平均總厚度10.85 m;主采上組煤2號(hào)、3號(hào)煤層,3號(hào)煤層厚度1.7～1.8 m,平均1.75 m,煤層不含夾矸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,為Ⅲ類破壞煤,煤黑色,粉狀、塊狀結(jié)構(gòu),有玻璃光澤;3號(hào)煤層距2號(hào)煤層6.5 m,2號(hào)煤層平均厚度1.6 m,3號(hào)煤層距4號(hào)煤層7.5 m,4號(hào)煤層平均厚度1.1 m。上煤組中平行布置軌道、膠帶、回風(fēng)3條大巷,回風(fēng)、膠帶大巷分別沿2號(hào)、4號(hào)煤層頂板布置,軌道大巷沿3號(hào)煤層以+3‰角度布置,各巷道間水平間距40 m。

X3瓦斯鑒定巷工作面位于高家莊礦一期開采范圍的東南角,西北部為2205工作面,東部為未采動(dòng)區(qū)域,西部為已施工完成的東翼軌道大巷,南部為未采動(dòng)區(qū)域。X3瓦斯鑒定巷接?xùn)|翼軌道大巷舊導(dǎo)16點(diǎn)前3 m位置繼續(xù)掘進(jìn),開掘位置底板標(biāo)高530.5 m,埋深483～508 m,施工方位90°,坡度+3‰,工程量59 m。東翼3條瓦斯鑒定巷位置如圖1所示。工作面迎頭所揭露煤層為山西組3號(hào)煤層,施工35 m后巷道預(yù)計(jì)將穿過3號(hào)煤層,在3號(hào)煤層與4號(hào)煤層之間施工。

圖1 X3瓦斯鑒定巷評(píng)判范圍示意圖Fig.1 Evaluation range of X3 gas identification roadway

東翼軌道開拓大巷的同時(shí)將作為東翼新采區(qū)瓦斯鑒定巷,未完成突出危險(xiǎn)性鑒定前所有煤層均按突出煤層進(jìn)行管理,執(zhí)行兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施。3號(hào)、4號(hào)煤層原始瓦斯含量分別為11.50 m3/t、13.50 m3/t,瓦斯壓力為0.4 MPa、0.42 MPa,煤的最小堅(jiān)固性系數(shù)均小于0.5。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量24.09 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量14.15 m3/t,為高瓦斯礦井;個(gè)別掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到9.8 m3/min。

2 區(qū)域預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)與施工

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽技術(shù)

底抽巷抽采技術(shù)中常用的穿層鉆孔技術(shù)面臨著瓦斯抽出率低、底抽巷掘進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等難題,難以滿足現(xiàn)代煤礦安全高效生產(chǎn)的需求。隨著千米鉆機(jī)的發(fā)展和打鉆封孔工藝的進(jìn)步,使得采用順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯可以高效的對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行大面積的區(qū)域消突。

順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)的實(shí)質(zhì)是采用施工大孔徑順層長(zhǎng)鉆孔抽采煤層瓦斯的方法,通過破壞煤體中原有的應(yīng)力分布,釋放煤層局部壓力,從而使瓦斯大量涌出,煤體中的瓦斯?jié)撃艿玫结尫?再經(jīng)過一定時(shí)間的抽排,煤層瓦斯含量會(huì)明顯減少,進(jìn)而導(dǎo)致煤層發(fā)生形變及應(yīng)力降低,增大了煤層的透氣系數(shù),最終消除瓦斯突出的隱患。鉆孔的直徑及鉆孔深度將會(huì)直接影響順層長(zhǎng)鉆孔的施工難易程度及消突效果。鉆孔直徑越大雖然消突效果越好,但是當(dāng)直徑增大到一定范圍之后,其卸壓能力變化不大,且鉆進(jìn)速度也會(huì)變慢,同時(shí)也可能會(huì)產(chǎn)生卡鉆、埋鉆等情況。順層鉆孔揭露煤層的面積大,同時(shí)在煤層中打鉆速度較快,成本較低。

為了了解順層煤層鉆孔周圍應(yīng)力分布及卸壓破壞范圍,在此作出如下假設(shè):煤體為連續(xù)均質(zhì)的;煤體為各向同性的;煤體是完全彈性的;鉆孔施工后,位移和變形量是微小的。在此基礎(chǔ)上,由于順層長(zhǎng)鉆孔的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于鉆孔的徑向尺寸和對(duì)周圍煤體的影響范圍,可認(rèn)為在徑向截面上所有應(yīng)力分量、形變分量和位移分量都是平面坐標(biāo)的函數(shù),而不會(huì)沿軸線方向改變,各點(diǎn)的位移矢量都垂直于鉆孔的軸線方向。因此,為了簡(jiǎn)化分析過程,將鉆孔周圍煤體的變形移動(dòng)看作是平面應(yīng)變問題。經(jīng)推導(dǎo)可知,順層鉆孔周圍塑性破壞區(qū)半徑計(jì)算公式如下:

(1)

式中:R0為塑性區(qū)半徑,m;r為鉆孔半徑,m;σ為原巖應(yīng)力,MPa;c為內(nèi)聚力,MPa;φ為摩擦角,(°)。

根據(jù)工作面試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的有關(guān)參數(shù)計(jì)算可得,3號(hào)煤層鉆孔抽采半徑為3.7 m、4號(hào)煤層鉆孔抽采半徑為3.37 m,鉆孔設(shè)計(jì)間距應(yīng)不大于半徑的2倍。

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及瓦斯地質(zhì)情況,3號(hào)、4號(hào)煤層均采用定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施。鉆孔布置平面圖如圖2、圖3所示。其中3號(hào)煤層共布置9個(gè)定向鉆孔,1#～7#鉆孔控制X3瓦斯鑒定巷條帶,8#、9#鉆孔及其分支孔控制其附屬聯(lián)絡(luò)巷所在區(qū)域;4號(hào)煤層共布置4個(gè)定向鉆孔,控制X3瓦斯鑒定巷下鄰近層4號(hào)煤層。

圖2 3號(hào)煤層鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.2 Drilling design of No.3 coal seam

圖3 4號(hào)煤層鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.3 Drilling design of No.4 coal seam

2.3 定向長(zhǎng)鉆孔施工

東翼軌道開拓大巷采用定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施。鉆場(chǎng)布置在工作面迎頭。3號(hào)煤層內(nèi)施工7個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔(1#-7#),鉆孔水平間距6 m(鉆孔抽采半徑為3.5 m),由巷道中心線向兩側(cè)依次布置,控制在巷道左右輪廓線外15 m區(qū)域,鉆孔孔徑98 mm,平均孔深320 m。設(shè)計(jì)4號(hào)煤層內(nèi)施工7個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔(8#-14#),鉆孔孔徑、孔深、位置、水平間距、控制范圍等均與3號(hào)煤層鉆孔相同。3號(hào)煤層鉆孔施工過程中,每50 m向頂板、底板探一次2號(hào)、4號(hào)煤層層間距,根據(jù)探測(cè)結(jié)果修改完善4號(hào)煤層定向鉆孔布置。工作面迎頭處定向鉆孔抽采盲區(qū)補(bǔ)充常規(guī)順層鉆孔。3號(hào)和4號(hào)煤層的鉆孔平面竣工圖和煤層鉆孔剖視圖分別如圖4和圖5所示。

(a) 3號(hào)煤層鉆孔平面竣工圖

(b) 3號(hào)煤層鉆孔剖視圖圖4 3號(hào)煤層鉆孔平面竣工圖及剖視圖Fig.4 As-built drawing and section view of drilling of No.3 coal seam

(b) 4號(hào)煤層鉆孔剖視圖圖5 4號(hào)煤層鉆孔平面竣工圖及剖視圖Fig.5 As-built drawing and section view of drilling of No.4 coal seam

定向鉆孔采用ZYL-6000D(D)型履帶式全液壓分體千米定向鉆機(jī)進(jìn)行施工,鉆車外形尺寸3 750 mm×1 300 mm×2 660 mm,額定扭矩1 600～6 000 N·m,鉆進(jìn)能力大于1 000 m。3號(hào)煤層施工共45 d,3號(hào)煤層累計(jì)進(jìn)尺4 212 m;4號(hào)煤層共施工49 d,4號(hào)煤層累計(jì)進(jìn)尺4 701 m。

鉆桿直徑74 mm,各鉆孔采用Φ113鉆頭開孔,長(zhǎng)度18 m,采用Φ153鉆頭進(jìn)行一次擴(kuò)孔,采用Φ193鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔,下入6封孔管,兩堵一注封孔工藝,入封孔管進(jìn)行注漿封孔,封孔長(zhǎng)度10～15 m,侯凝1 d后開始正常鉆進(jìn)。施工過程中未發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

表1 3號(hào)煤層鉆孔終孔參數(shù)Table 1 Final borehole parameters in No.3 coal seam

表2 4號(hào)煤層鉆孔終孔參數(shù)Table 2 Final borehole parameters in No.4 coal seam

3 預(yù)抽效果分析

3.1 抽采體積分?jǐn)?shù)及純量變化

3號(hào)煤層4#鉆孔開始施工后即接抽,共抽取124 d,7個(gè)鉆孔累計(jì)抽采瓦斯333 936.71 m3。由圖6可知,2#鉆場(chǎng)抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量呈正相關(guān),抽采純量隨著抽采體積分?jǐn)?shù)的增加而增大;平均抽采體積分?jǐn)?shù)為26.02%,最大為40%;平均抽采純量為2 693.04 m3/d,最大為3 965.79 m3/d。

圖6 3號(hào)煤層抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量變化曲線Fig.6 Variation curves of extraction volume fraction and scalar of No.3 coal seam

4號(hào)煤層2#鉆孔開始施工后即接抽,共抽取125 d,觀測(cè)7個(gè)鉆孔累計(jì)抽采瓦斯252 571.27 m3。由圖7可知,2號(hào)鉆場(chǎng)抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量呈正相關(guān),抽采純量整體隨著抽采體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,平均抽采體積分?jǐn)?shù)為27.4%,最大為36%;平均抽采純量為2 020.57 m3/d,最大為3 232.73 m3/d。

圖7 4號(hào)煤層抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量變化曲線Fig.7 Variation curves of extraction volume fraction and scalar of No.4 coal seam

3.2 抽采效果檢驗(yàn)

在X3瓦斯鑒定巷及附屬聯(lián)絡(luò)巷中布置9個(gè)檢測(cè)測(cè)試孔和9個(gè)測(cè)試點(diǎn),以檢測(cè)3號(hào)、4號(hào)煤層中瓦斯含量。其中在3號(hào)煤層中布置6個(gè)測(cè)試點(diǎn),在4號(hào)煤層中布置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)按要求均勻布置在抽采區(qū)域內(nèi),并且測(cè)點(diǎn)布置盡量與抽采鉆孔保持均勻間距。

表3 X3瓦斯鑒定巷及附屬聯(lián)絡(luò)巷3號(hào)煤層殘余瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Residual gas content of X3 gas identification roadway and affiliated connection roadway in No.3 coal seam

表4 X3瓦斯鑒定巷及附屬聯(lián)絡(luò)巷4號(hào)煤層殘余瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Residual gas content of X3 gas identification roadway and affiliated connection roadway in No.4 coal seam

經(jīng)過采取區(qū)域防突措施后,區(qū)域檢驗(yàn)點(diǎn)處殘余瓦斯含量值均小于8 m3/t(構(gòu)造區(qū)域小于6 m3/t)。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求,X3瓦斯鑒定巷及附屬聯(lián)絡(luò)巷本次評(píng)判范圍內(nèi)3號(hào)和4號(hào)煤層抽采達(dá)標(biāo)且效果良好,允許揭煤,掘進(jìn)。

4 結(jié)論

介紹了定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域瓦斯治理技術(shù),分析了影響抽采效果的鉆孔參數(shù),結(jié)合高家莊煤礦煤層與瓦斯賦存特征,提出了定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì),在3號(hào)和4號(hào)煤層共施工了14個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔,分析了定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果和抽采達(dá)標(biāo)情況。結(jié)果表明,定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)抽采速度快,能夠?qū)崿F(xiàn)定向的區(qū)域消突,為新采區(qū)開拓提供了安全保障。

1)定向長(zhǎng)鉆孔具有明顯的優(yōu)勢(shì),其延伸距離長(zhǎng)、覆蓋范圍廣,且能保證鉆孔在煤層內(nèi)有效延伸,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)區(qū)域化抽采,消除空白帶。

2)在3號(hào)和4號(hào)煤層共施工了14個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔,觀測(cè)結(jié)果表明抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量呈正相關(guān), 日瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最大為40%, 日最大瓦斯抽采純量達(dá)3 965.79 m3。

3)定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)與普通順層鉆孔相比抽采速度快,煤層群經(jīng)過條帶巷長(zhǎng)鉆孔抽采后,殘余瓦斯含量符合標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了定向條帶的區(qū)域消突。