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    张朝川,徐世波,王安祝

     

     要:针对大兴矿复杂的顶板岩层地质条件和瓦斯赋存运移特征,开展了以孔代巷技术研究,从采动裂隙发育规律和钻孔抽采特征方面,分析了高位水平长钻孔和大直径定向钻孔替代顶板抽采巷的技术原理。通过高位水平长钻孔的施工及抽采效果,探明顶板地层详细信息,以此优化定向钻孔层位布置、钻具组合和钻进参数。抽采效果表明,该抽采模式可以在北二采区12煤层工作面应用,研究可为井下瓦斯高效抽采与治理提供借鉴。

    关键词:水平长钻孔  大直径定向钻孔 以孔代巷  瓦斯抽采

     

    大兴矿属于煤层群开采,煤层开采过程中顶底板岩层中形成采动裂隙,邻近层卸压及本煤层瓦斯受采动影响,在进、回风流压差作用下,易造成上隅角及回风巷超限。目前,针对上隅角及回风巷瓦斯治理,通常采用顶板抽采巷、斜交钻孔方式进行顶板裂隙带抽采。但专用抽采巷道施工工程量大、工期长、成本高,斜交钻孔受采动影响抽采效果不理想等缺点,给采煤工作面瓦斯治理带来诸多困扰。

    基于此,以大兴矿北二1203工作面为实践进行以孔代巷技术研究,通过施工高位水平长钻孔及大直径定向钻孔替代专用抽采巷进行瓦斯抽采,使用常规液压钻机与ZDY12000LD千米定向钻机相结合,利用各自施工钻孔特点,控制不同重点瓦斯抽采区域。通过抽采效果分析,取得了良好的效果。

    1 实践工作面概况

    工作面走向长1668m,倾向长150m,绝对涌出量50.41m3/min,为突出煤层。工作面为复合顶板岩层,老顶由厚度6.32m的粗砂岩、中砂岩组成,直接顶主要由厚度为2.88m的粉砂岩组成,采用全部垮落法管理顶板。该工作面为北二12层采区首采工作面,根据地质条件分析12煤层开采后,来自于10-2煤层和13、14煤层以及本煤层涌出的瓦斯,易造成上隅角和回风巷瓦斯超限。

    2 以孔代巷技术原理

    在煤矿实际生产过程中,由于专用抽采巷道施工进度等原因,限制了该工艺的发展应用。以孔代巷技术就是利用一定数量的顶板高位水平长钻孔、大直径定向钻孔替代顶板抽采巷进行顶板高效抽采,高位水平长钻孔可以在较短最新版本万博app全站内施工多个抽采浓度大、抽采稳定的有效钻孔,大直径定向钻孔通过对钻孔轨迹的精确控制,使钻孔在回风巷侧顶板动压区域裂隙带内有效延伸,实现顶板动压区域裂隙带内的稳定抽采,保证高浓度、大流量、长最新版本万博app全站的钻孔抽采效果。

    3 钻孔设计与施工

    3.1 高位水平长钻孔及大直径定向钻孔设计

    ⑴ 高位水平长钻孔设计

    设计目的要保证抽采工作面回采期间动压区间内的裂隙通道及抽采工作面煤壁以及上隅角瓦斯。该工作面施工高位钻场间距为140m,工作面推进周期来压步距为12m,钻场布置在距12煤层顶板2m的岩层中,钻孔终孔点控制在距煤层顶板25~42m之间,为保证抽采的连续性,两组钻孔施工合理压茬距离确定为50m。见图1,图2。

     

    图1  高位水平长钻孔平面布置示意图

     

    图2  高位水平长钻孔剖面布置示意图

    ⑵ 大直径定向钻孔设计

    设计目的要保证连续抽采顶板周期卸压瓦斯,钻孔布置原则参考高位水平长钻孔设计垂高,确保钻孔抽采层位准确,为实现以孔代巷目的,综合地质条件,因选择较稳定岩层施工,确保钻孔施工成孔率及施工钻孔数量,根据北二1203工作面煤层顶板12~19m和22~28m为砂岩层,岩体结构较完整,结合顶板裂隙发育特征和大兴矿生产实践经验,确定布孔层位为13m~30m之间。见图3,图4。

     

    图3  大直径定向钻孔平面布置示意图

     

    图4  大直径定向钻孔剖面示意图

    3.2 高位水平长钻孔及大直径定向钻孔的施工

    ⑴ 高位水平长钻孔的施工

    施工采用Ф94mm钻头+Ф89mm三棱钻杆”钻具组合,按照设计方位、倾角、孔深快速施工至预计抽采垂高。

    ⑵ 大直径定向钻孔的施工

    开孔采用普通回转钻进工艺施工,主要目的是安装孔口管和孔口四通及气水分离器,并连接抽采系统,实现边钻进边抽采,防止钻孔施工过程中瓦斯超限。

    先导孔采用“Ф120mm钻头+Ф89mm钻杆”钻具组合,回转钻进至15m;

    二次进尺采用“Ф153mm/120mm钻头 +Ф89mm钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至10m;

    三次扩孔采用“Ф250mm/153mm扩孔钻头+Ф89mm钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至9.5m。

    按设计要求下入直径Ф200mm套管9m,并采用两堵一注方式进行注浆固管。

    钻进主要采用滑动钻进工艺,同时,在钻孔轨迹参数变化较小孔段,可以采取复合钻进工艺。

    采用的定向钻具组合为:“Ф120mm钻头+Ф89mm孔底马达+Ф89mm无磁钢钻具+Ф89mm通缆钻杆”施工至设计孔深。定向钻具组合,见图5。

    图5 定向钻具组合图

    4 瓦斯抽采效果分析

    工作面回采期间对高位钻场及千米钻场抽采分支管路上都安装了抽采计量装置,实现对水平长钻孔和定向钻孔的计量考察。

    4.1高位水平长钻孔抽采效果分析

    北二1203工作面共施工8个高位钻场,钻场间距140m,抽采服务范围1137m,以8#钻场为例,分析其抽采效果。2019年2月10日至26日持续抽采17天,单日最大抽采纯流量达10.23m3/min,抽采总纯量16万m3。累计抽采总量136万m3。见表1,表2。

     

    表1  北二1203回顺8#高位钻场单日钻孔瓦斯抽采量

    序号

    孔号

    实钻孔深(m)

    浓度(%)

    下套管长度(m)

    单孔混量(m3/min)

    单孔纯量(m3/min)

    总纯量

    (m3/min)

    1

    1# 高位

    193

    30

    12

    0.83

    0.25

    10.23

    2

    2# 高位

    193

    45

    189

    0.83

    0.37

    3

    3# 高位

    193

    12

    4

    4# 高位

    194

    183

    5

    5# 高位

    173

    100

    12

    2.62

    2.62

    6

    6# 高位

    192

    50

    177

    3.71

    1.86

    7

    7# 高位

    192

    90

    12

    1.17

    1.05

    8

    8# 高位

    158

    60

    117

    3.71

    2.23

    9

    9# 高位

    142

    12

    10

    10# 高位

    127

    100

    132

    1.85

    1.85

     

    表2  北二1203回顺8#高位钻场瓦斯抽采总纯量

    钻场编号

    观测日期

    总纯量(m3/min)

    8# 

    2019年2月10日

    10.23

    2019年2月11日

    8.51

    2019年2月12日

    8.87

    2019年2月13日

    8.34

    2019年2月14日

    9.41

    2019年2月15日

    6.18

    2019年2月16日

    6.9

    2019年2月17日

    7.1

    2019年2月18日

    6.17

    2019年2月19日

    5.62

    2019年2月20日

    8.91

    2019年2月21日

    7.69

    2019年2月22日

    5.31

    2019年2月23日

    5.31

    2019年2月24日

    3.41

    2019年2月25日

    2.89

    2019年2月26日

    0.56

    抽采总纯流量:111.41 m3/min    累计抽采总纯量:16万m3

     

    高位钻场抽采纯流量随抽采最新版本万博app全站变化曲线如图6所示。

     

    图6  高位钻场纯瓦斯流量随抽采最新版本万博app全站变化曲线

    高位钻场抽采纯流量随工作面过终孔点距离变化曲线如图7所示。

     

    图7  高位钻场纯瓦斯流量随工作面过终孔点距离变化曲线

    初期抽采阶段为工作面推进且过钻孔终孔点20m时,高位水平长钻孔瓦斯流量明显增大,其中5#孔纯量达2.62m3/min。工作面继续推进100m范围内为抽采稳定阶段。当工作面过终孔点距离120m以后,钻场开始进入抽采衰减阶段,此时下一个接续钻场正好处于钻孔初期抽采阶段,保证工作面持续抽采。

    4.2大直径定向钻孔抽采效果分析

    北二1203工作面从回顺500m至回顺口没有设计、施工高位钻场,待采阶段仅仅依靠斜交钻场的倾斜钻孔抽采,做不到连续抽采。北二1203工作面“千米钻场”施工完成大直径定向钻孔累计进尺3547m。各钻孔竣工时结构和产状情况,见表3。

    表3  北二1203回顺大直径定向钻孔竣工数据

    序号

    孔号

    孔段(m)

    孔深(m)

    下Φ89

    开孔倾角(°)

    开孔方位(°)

    套管(m)

    1

    1#梳状孔

    0~522

    528

     

    4.5

    361

    2

    1-1#梳状孔分支

    396~411

    15

     

    ——

    ——

    3

    1#定向孔

    0~555

    563

    279

    9.4

    366.5

    4

    1-1#定向孔分支

    261~563

    302

     

    ——

    ——

    5

    2#定向孔

    0~534

    542

    534

    12.9

    364.4

    6

    3#定向孔

    0~477

    477

     

    11.7

    340

    7

    4#定向孔

    0~306

    312

    297

    12.7

    349.5

    8

    5#定向孔

    0~570

    576

    516

    11.3

    333.8

    9

    6#定向孔

    0~453

    459

    450

    8

    340

    合计

     

     

    3547

     

     

     

     

    瓦斯抽采前期,高位水平长钻孔直接作用于采空区高浓瓦斯积聚区,抽采效果明显较大直径定向钻孔好。随着工作面持续推进,高位水平长钻孔逐渐脱离最佳抽采冒落区域,而大直径定向钻孔始终保持在采动裂隙发育地带,抽采效果逐渐凸显,抽采平均纯量与浓度逐步增加,并超过高位水平长钻孔抽采水平。见图8。

     

    图8  大直径定向钻孔与高位水平长钻孔对比曲线

    北二1203千米钻场施工的大直径定向钻孔从回顺口延伸至回采区域的抽采服务范围540m,当工作面推进至回顺最后一个高位钻场时大直径定向钻孔开始进入抽采初期阶段,保证了钻孔的连续抽采。大直径定向钻孔累计抽采瓦斯75万m3

    在高位水平长钻孔和大直径定向钻孔抽采区域范围内,随着钻孔抽采瓦斯纯量的持续增大,工作面上隅角瓦斯浓度稳定在0.34%0.45%,回风瓦斯浓度稳定在0.42%0.53%,抽采纯量平均达到15m m3/min,抽采浓度32%。通过两种钻孔相结合,在控制范围上能够满足采面瓦斯治理工程布控需要,在抽采接续上能够实现较好的接续效果。图9。

     

    9  大直径定向钻孔与高位水平长钻孔抽采示意图

    5 结论

    ⑴ 以孔代巷在技术上是可行的,适用于大兴矿北二采区12煤层工作面。通过对大直径定向钻孔轨迹的精确控制,提前在工作面顶板采动裂隙带内施工梳状预抽钻孔,将大直径定向钻孔以最长化地展布在瓦斯积聚的水平裂隙岩层带内,结合高位水平长钻孔对工作面推进时局部岩体卸压瓦斯的快速抽采,抽采范围将更具规模,以孔代巷抽采瓦斯将具有显著的技术优势。

    ⑵ 根据瓦斯抽采效果,大直径定向钻孔与高位水平长钻孔都有各自的优点,大直径定向钻孔抽采瓦斯在控制钻孔预抽层位上具有明显优势,抽采效果更稳定,高位水平长钻孔初期瓦斯抽采能力更强,解决局部瓦斯涌出效果较好。结果表明,北二1203工作面利用高位水平长钻孔和大直径定向钻孔可替代顶板瓦斯道抽采。

    ⑶ 两种控制不同重点区域的钻孔相结合的瓦斯抽采方式,为以孔代巷技术的研究与实施提供了实践基础。

     

    作者简介张朝川1986-),男,工程师,2012年毕业于辽宁工程技术大学安全工程学院,现任铁煤集团大兴煤矿抽采一队副队长。联系电话:15141002931。

     

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