采用頂板梳狀定向鉆孔瓦斯抽采技術研究

王 龍

(山西蘭花科技創業股份有限公司,山西 晉城 048003)

1 抽采煤層及抽采系統概況

1)抽采煤層。3號煤層:位于山西組下部,上距K8砂巖平均43.83 m左右,下距9號煤層平均62.50 m左右。煤層厚度4.63 m～7.15 m,平均厚6.26 m,煤層結構簡單一較簡單,一般含0～2層夾矸,為本井田穩定可采煤層。直接頂巖性主要為泥巖、細粒砂巖,老頂巖性為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖;底板巖性為黑灰色泥巖、粉砂巖,局部為細砂巖。

2)煤塵爆炸性。據山西省產品質量監督檢驗所M20021230號檢驗報告,山西蘭花集團大陽煤礦煤塵火焰長度為0,巖粉用量亦為0,無煤塵爆炸危險性。

3)煤的自燃傾向性。根據山西省煤炭工業局綜合測試中心提交的3號煤層檢驗報告,大陽煤礦3號煤層吸氧量為1.250 6 cm3/g,煤層自燃等級為Ⅲ級,屬不易自燃煤層。

4)抽采系統。大陽煤礦3號煤層瓦斯抽采規模46 m3/min,布置兩套抽采系統,高負壓瓦斯抽采系統選用2臺CBF630-2BG3水環式真空泵,低負壓瓦斯抽采系統選用2臺CBF710-2BG3水環式真空泵,各抽采主管、干管、支管均選用螺旋縫埋弧焊鋼。

2 頂板梳狀定向鉆孔瓦斯抽采設計

3404工作面定向水平長鉆孔的布置如圖1所示。

1)鉆場位置。3404工作面長度1 256 m,鉆場布置在回風順槽巷道40 m拐角位置處,如圖2所示。

圖1 頂板鉆孔布置三維圖

圖2 2號鉆場鉆孔剖面圖

2)鉆孔參數。鉆孔直徑:選擇鉆孔直徑為120 mm。鉆孔個數:鉆孔直徑為120 mm時,鉆孔個數為3個。

3)鉆孔間距。3個定向鉆孔布置方式分別為內錯回風順槽25 m、30 m、35 m,鉆孔間距為5 m。

4)鉆孔布置。1號、2號、3號鉆孔終孔位置分別位于距離煤層頂板20 m、25 m、30 m處。根據鉆孔位置關鍵層位理論,在工作面上方采動巖層中存在著一個決定采場上覆巖層礦上壓力變形破壞的關鍵層。當關鍵層出現破段后,位于采空區中部的采動裂隙即將趨于壓實,而且在采空區四周則出現一個聯通的采動裂隙發育區,并隨著工作面的推進而移動,在這個采動影響裂隙的發育區就形成了一個瓦斯集聚區域。只要將梳狀定向抽采鉆孔打在這個采場的采動裂隙區內,就可使鉆孔具有較長抽采時間,較大的抽采范圍和較高的抽采量。采動區沿著垂直方向由下向上分為冒落帶、裂隙帶、以及彎曲下沉帶。沿工作面推進方向分為煤壁支撐影響區、離層區以及重新壓實區。隨著工作面的不斷推進,橫三區逐漸移動,豎三區也同時隨之被壓實,而裂隙帶的梳狀定向鉆孔卻始終處于一種最佳的抽采狀態。

5)施鉆設備。ZDY12000LD鉆機、YHD2-1000T(A)隨鉆測量裝置、螺桿馬達、BLY390泥漿泵、通纜鉆桿、防爆計算機。

6)施工工藝流程。準備鉆場→鉆孔設計→移機定位→鉆孔施工→撤鉆與接抽→放水與檢測。

3 3404回采工作面頂板鉆孔合理參數確定

3404綜采工作面回采時工作面瓦斯涌出量達8 m3/min ～10 m3/min,瓦斯等級為高瓦斯礦井。大陽煤礦3號煤層瓦斯基礎參數測定報告中顯示3404綜采工作面煤層厚度5.83 m,瓦斯含量為7.07 m3/min ～7.43 m3/t,瓦斯壓力為0.45 MPa ～0.49 MPa。回采期間的瓦斯來源于本煤層和鄰近層裂隙帶。從3404綜放工作面生產實踐過程中高位抽放鉆孔的抽放效果分析可以看出,鉆孔終孔距頂板高度確定為23 m～28 m。

3404回采工作面千米定向鉆孔軌跡設計如圖3所示。

圖3 3404回采工作面千米定向鉆孔軌跡設計

鉆孔距煤層頂板垂高20 m～30 m,距離回風側水平25 m～35 m,有限鉆場范圍內布置3個梳狀定向鉆孔,在垂直方向上形成三角形布置。頂板定向鉆孔組合理布置層位位于靠近回風巷一側采動裂隙帶內,以抽采工作面采空區上隅角集聚的高濃度瓦斯。抽采鉆孔孔口負壓在15.8 kPa～25.4 kPa左右,單孔瓦斯抽采量可達5 m3/min ～12 m3/min。

4 梳狀定向鉆孔抽采效果分析

1)3404定向鉆場各梳狀定向鉆孔瓦斯濃度分布如圖4所示。

2)通過3個不同參數的梳狀定向鉆孔對比分析,C鉆孔抽采效果最佳,設計參數最合理。

3)單孔瓦斯抽采濃度隨著抽采時間的延長先增加后減小,且最終在35%～20%上下波動。

4)抽采初期,抽采濃度不穩定,抽采量較小。隨著時間的延長,抽采濃度逐漸增大,最大濃度達75%,抽采量達到12.2 m3/min,最終穩定在6 m3/min。

圖4 3404定向鉆場各梳狀定向鉆孔瓦斯濃度分布圖

5 應用梳狀定向鉆孔產生的效果及經濟效益

大陽煤礦于2016年采用定向鉆機及配套設備,分別在3404工作面、3304工作面回風順槽施工頂板梳狀定向鉆孔5個,用于工作面上隅角及采空區瓦斯的治理。累計進尺3 567 m,最大主孔孔深為556 m,瓦斯平均抽采濃度35%,累計抽采瓦斯113×103m3。累計新增產值790.43萬元。兩工作面回采未出現瓦斯超限,有效保障了該礦煤炭綠色、安全、高效生產。

采空區瓦斯抽采模式由輔助回風巷轉變為長距離頂板梳狀定向鉆孔,兩個工作面(總長1 000 m)輔助回風巷投入資金400萬元(掘進成本4 000元/m),掘進施工需5個月。而采用梳狀瓦斯抽采定向鉆孔的施工,投入資金約122萬元(含107萬施工成本和15萬耗損費用),施工周期為2個月。兩工作面利用梳狀瓦斯抽采定向長鉆孔鉆進技術,累計節省生產成本278萬元,生產成本節約了70%,生產周期降低了60%,保障了該礦煤炭的安全高效開采。

6 結束語

1)通過理論分析和數值模擬分析,3404綜采工作面定向鉆孔布置在頂板上方28 m左右處,取得最佳瓦斯抽采效果。梳狀定向鉆孔能夠長時間穩定在頂板采動裂隙區內,抽采時間穩定在150 d以上,在采煤的同時安全高效的抽采瓦斯,實現煤與瓦斯共采。

2)綜采工作面上采用梳狀定向鉆孔抽采,結合高位鉆孔抽采、本煤層鉆孔抽采、上隅角埋管的抽采方法有效治理了工作面回風巷風流中的瓦斯。尤其是通過梳狀定向鉆孔抽采瓦斯技術研究,為今后鉆孔抽采瓦斯布置方式上采取改善措施奠定了基礎,也為今后抽采治理瓦斯積累了一定的經驗。

3)本次梳狀定向鉆孔推廣應用效果表明,梳狀定向鉆孔抽采技術可遠距離高效解決采空區瓦斯治理難題,具有替代高成本的輔助回風巷的應用前景。