黄陵矿区定向长钻孔瓦斯预抽技术试验研究

李 川

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西省延安市,727307)

黄陵矿区定向长钻孔瓦斯预抽技术试验研究

李 川

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西省延安市,727307)

针对黄陵矿区目前非定向钻孔煤层瓦斯抽采易穿顶板、底板,造成抽采空白带和重复交叉以及抽采范围小、时间短,无法超前治理瓦斯的问题,在黄陵一矿309工作面中厚煤层中进行定向长钻孔瓦斯抽采技术试验。通过钻机改进使钻孔进尺平均提高115.9～220.3 m/d,有效提高钻进施工效率;定向长钻孔瓦斯抽采2 a后,1＃～5＃钻孔最低瓦斯抽采浓度仍达11.5%～15.3%,累计抽采瓦斯量64.7万m3,煤层瓦斯含量及瓦斯压力显著降低,定向长钻孔瓦斯抽采技术抽采效果较好,能够达到超前区域治理瓦斯的目的。

定向长钻孔 瓦斯抽采 抽采参数 钻孔布置 施工工艺 抽采效果

黄陵矿区煤层瓦斯赋存具有明显的不均衡性,部分掘进工作面最大瓦斯涌出量达到9.2 m3/min,采煤工作面绝对瓦斯涌出量达到近40 m3/min,相对瓦斯涌出量最大达8.5 m3/t。为了有效防治瓦斯,黄陵矿区采取了普通钻孔预抽、边采边抽以及采后抽采等方式,取得了一定效果。但由于矿区地质构造复杂,煤层厚度较小,原有的非导向普通钻孔无法定位,容易穿顶板或底板,造成抽采空白带和重复交叉;另外,原有钻机功率较小,钻孔孔径较小、长度较短,钻孔仅能覆盖一个工作面,抽采时间短,没有真正做到超前区域治理瓦斯。

定向长钻孔区域抽采本煤层瓦斯技术能够按照设计的钻孔轨迹进行定向钻进,实时受控造斜和纠偏,实现全方位、长距离、长时间区域煤层瓦斯预抽,对于大范围降低煤层瓦斯含量,提高工作面瓦斯抽采率,缓减采掘接续紧张的矛盾,保证煤矿安全生产具有重要意义。

1 工作面概况

黄陵一矿309工作面位于北一大巷东翼,与北一大巷夹角70°,南为308工作面,北为310工作面。309工作面主采2＃煤层,煤层平均厚度2.4 m,属中厚煤层,条带状亮煤,煤层结构简单,仅在个别区域分布一层夹矸,夹矸厚度0.1 m,夹矸岩性为泥岩。2＃煤层伪顶为炭质泥岩,厚度小于0.1 m,直接顶板为灰黑色泥岩,厚度6 m左右;底板为泥岩,厚度3 m左右,遇水膨胀,易底臌。309工作面走向长235 m,倾向长2860 m。根据《矿井瓦斯涌出量预测方法AQ 1018－2006》预测309工作面相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量分别为2.85 m3/t和17.81 m3/min,根据《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等相关规定需要进行抽采。

2 中厚煤层长钻孔设计与施工

2.1 定向长钻孔瓦斯抽采参数确定

(1)预抽时间。合理预抽期受多种因素的影响,综合考虑黄陵一矿预抽率和钻孔工程量,结合黄陵一矿目前的采掘接替情况,将钻孔布置间距设计为60 m,预抽期700 d。

(2)封孔方式和合理封孔深度。黄陵矿区原采用的封孔方式以棉线类材料缠绕为主,如毛巾等。在施工过程中,考虑到经济因素,大多数施工毛巾长度不够,致使封孔长度较短,封孔效果差,导致单孔抽采浓度大多低于30%。因此309工作面定向长钻孔前后两端用棉纱缠绕马丽散,中间用注浆泵注新型封孔剂进行封孔,同时封孔段进行扩孔,钻孔施工完毕用3寸PVC管封孔,保证有效封孔深度不小于8.5 m。

合理的封孔深度对瓦斯抽采具有重要意义。如果封孔深度太浅,封孔长度不能超过巷道的应力集中带,在负压作用下,钻孔通过裂隙与外部空间形成回路循环,导致空气经裂隙进入钻孔内,从而降低瓦斯抽采浓度,缩短钻孔瓦斯抽采时间,甚至抽不到瓦斯。309工作面定向长钻孔采用向巷帮打钻的方法测定不同深度钻进时间,确定巷道卸压带、应力集中带和原始应力带的分布深度,从而确定合理的钻孔封孔深度为9 m。

(3)抽采负压。在保证钻孔封孔质量的基础上,适当提高钻孔负压是提高抽采效果的有效措施之一,一般情况下,抽采负压越大,抽采效果越好,但负压过大会增加空气量的漏入,而且瓦斯抽采泵提高抽采负压也有一定的限度,因此需选择一个合理的负压值。根据黄陵矿在2＃煤层布置1＃～4＃测试钻孔,考察其抽采负压、抽采浓度及抽采纯量,当抽采负压在15.3～20.8 k Pa时,钻孔瓦斯抽采浓度及抽采纯量有下降趋势。因此,钻孔瓦斯抽采负压应控制在10～15 k Pa。

2.2 钻孔布置

在309、310工作面巷道掘进前,在309进风巷道(即308工作面辅助巷)向309工作面和310工作面布置区域预抽钻孔,距停采线40 m布置第一个钻孔,之后每隔60 m布置一个钻孔,孔深550 m,垂直于巷道布置,共施工48个钻孔,以便对309工作面和310工作面进行有效抽采。钻孔设计及布置如图1所示。

图1 309进风巷区域预抽钻孔布置示意图

2.3 钻孔施工工艺及钻机具改进

2.3.1 钻孔施工工艺

在309进风巷道采用煤科总院西安分院研制的ZDY6000LD煤矿用履带全液压钻机,ø73 mm高强度中心通缆钻杆和无磁孔底马达,3NB－300型泥浆泵施工区域预抽钻孔,采用二次成孔工艺,即先采用胎体式PDC钻头钻进导向孔,再用扩孔钻头进行扩孔,以便更好地控制钻孔轨迹。定向钻进工艺流程如图2所示。

(1)主孔成孔工艺。采用带有1.25°弯角的螺杆马达进行定向钻孔施工时,整个钻具不回转,只有螺杆钻具转子带动钻头回转破碎岩石钻进,现场技术人员根据设计轨迹及煤层具体状况实时调整螺杆钻具工具面向角,从而实现钻孔轨迹受控精确定向的目的。

(2)分支孔成孔工艺。采用螺杆钻具进行分支孔施工时,根据施钻地层状况、设计要求和目的等不同,施工顺序可分为前进式和后退式两种。不管采用何种方式,都存在从主孔中定向开分支孔(即侧钻)工艺技术。

图2 定向钻进工艺流程

2.3.2 钻机具改进

由于原有的YHD1－1000型钻机随钻测量系统存在组装麻烦、电量消耗快、施工效率低等问题,将钻机探管更换为新式探管,更新后的探管尾部不需要连接电池杆,改为由孔口监测器直接输送13 V直流电,并将原来的YHD1－1000型随钻测量系统升级为与之匹配的YHD2－1000(A)型孔口供电随钻测量系统,通过钻机改进,探管相较于原有的测量探管降低了电量衰减系数,信号传输更为稳定,省去了每施工完一个钻孔都需要将电池管抬至地面拆卸充电,然后重新组装使用的麻烦,排除了因人工组装等因素导致电池电量消耗过快,施工长距离钻孔时电池电量无法满足施工需要,施工中途需退钻充电的隐患,提高了施工效率。

2.4 定向长钻孔施工

采用ø73 mm的钻头开孔,钻进至3 m后,下套管封孔,封孔4 h后连接抽采管,边施工钻孔边进行抽采。施工时以仰角钻进,钻进至设计层位后沿煤层钻进至终孔。

在309进风巷道施工区域钻孔试验过程中,施工了1＃、2＃试验钻孔,两钻孔累计施工进尺2123 m,其中岩孔96 m,煤孔2027 m,煤孔所占比列高达95.5%。1＃钻孔上下偏移量0～1.2 m, 2＃钻孔上下偏移量0～0.45 m,有效解决了中厚煤层中非导向钻孔容易穿顶板或底板及造成抽采空白带和重复交叉的问题。

1＃、2＃试验钻孔施工深度分别为1114 m、1009 m,施工时间分别为18 d、16 d,除去移钻等工序0.5 d时间,平均进尺分别为63.7 m/d、65.1 m/d。通过钻机改进、施工工艺优化之后,钻孔施工深度为543～568 m,所需时间2.5～3.5 d,除去移钻等工序0.5 d时间,平均进尺181～284 m/d,平均进尺提高了115.9～220.3 m/d,有效提高了钻孔施工效率。

3 瓦斯抽采效果考察

3.1 瓦斯抽采浓度及抽采量

2011年2－4月选择309进风巷道在距切眼0～400 m范围内共施工5个区域预抽钻孔,抽采2 a后进行考察,1＃～5＃钻孔总瓦斯抽采纯量及总累计抽采纯量如图3所示,1＃～5＃钻孔抽采瓦斯浓度随时间变化如图4所示。由图3、图4可知,1＃钻孔瓦斯浓度由88%降为15.3%,;2＃钻孔瓦斯浓度由79.09%降为12.64%;3＃钻孔瓦斯浓度由89%降为13.8%;4＃钻孔瓦斯浓度由88%降为13.8%;5＃钻孔瓦斯浓度由95.5%降为11.5%。1＃～5＃钻孔共累计抽采瓦斯量为64.7万m3。

图3 1＃～5＃钻孔瓦斯总抽采纯量及累计抽采纯量

图4 1＃～5＃钻孔抽采瓦斯浓度

3.2 预抽前后煤层瓦斯含量及瓦斯压力

309进风巷道距停采线0～400 m区域原始瓦斯含量为2.6 m3/t。经过抽采后,回采时距停采线90 m、210 m、320 m、420 m处所测的瓦斯含量分别为1.32 m3/t、1.29 m3/t、1.46 m3/t、1.36 m3/t,预抽率为42.29%～49.01%;瓦斯压力分别为0.46 MPa、0.45 MPa、0.51 MPa、0.48 MPa。瓦斯压力由原来的0.72 MPa降低到0.45～0.51 MPa,煤层瓦斯压力显著降低。

4 结论

(1)设计出适合黄陵一矿309工作面中厚煤层的定向长钻孔瓦斯抽采技术工艺参数,成功在中厚煤层条件下实施定向长钻孔施工,钻孔上下偏差满足设计要求,有效解决了中厚煤层中非导向钻孔容易穿顶板或底板,造成抽采空白带和重复交叉的问题。

(2)对定向钻机进行改进、优化,钻孔日进尺平均提高了115.9～220.3 m/d,有效提高了钻孔施工效率。

(3)对309工作面进行定向长钻孔抽采2 a后,1＃～5＃钻孔最低瓦斯抽采浓度仍能维持在11.5%～15.3%,1＃～5＃钻孔累计抽采瓦斯量64.7万m3,瓦斯含量及瓦斯压力显著降低,定向长钻孔瓦斯抽采技术抽采效果较好,能够达到超前区域治理瓦斯的目的。

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(责任编辑 张艳华)

Research on gas pre-drainage via directional long borehole drilling in Huangling mining area

Li Chuan
(Huangling Mining Group Co.,Ltd.,Yan’an,Shaanxi 727307,China)

Currently,non-directional drilling in coal seam for gas drainage in Huangling mining area is easy to drill the roof and the floor of coal seam through,and cause drainage in blank zone and repeated cross,as well as small drainage area and short drainage time,which makes the gas control in advance impossible.In view of this,the gas drainage trial by directional long boreholes was carried out in medium-thick coal seam at No.309 working face in No.1 Mine.In aid of the improvement of drill rig,the average penetration rate was increased by 115.9～220.3 m/d, effectively enhancing the drilling efficiency.After the gas drainage for two years,the minimum concentration of drained gas in No.1 to 5 boreholes was 11.5%～15.3%,total gas volume was up to 0.647 million m3,and the gas content and pressure in the coal seam were significantly reduced.The results showed that the gas drainage by directional long boreholes is satisfying and can achieve the goal of regional gas control in advance.

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TD712.6

A

李川(1987－),男,陕西铜川人,毕业于河南理工大学安全工程专业,助理工程师,现任陕西煤业化工集团黄陵矿业公司通风部业务主管,主要从事矿井“一通三防”技术管理及推广工作。