低位長距離鉆孔“以孔代巷”瓦斯抽采技術研究

李炎濤

(山西煤炭運銷集團陽泉有限公司,山西 陽泉 045000)

程莊煤礦為高瓦斯礦井,15#煤瓦斯含量較高,采用放頂煤開采工藝,工作面日產量為6 000 t,生產強度大。回采工作面采用“本煤層鉆孔+高抽巷+低位抽采巷”為主的綜合治理體系,其中低位抽采巷是從以往的內錯尾巷發展而來,層位沿15#煤頂板掘進。礦井當前瓦斯治理模式可以解決回采工作面上隅角瓦斯問題,但是隨著礦井的不斷延伸,工作面煤層瓦斯含量逐漸增高,導致煤層開采期間瓦斯超限的問題日益加重。低位抽采巷在使用上也存在安全隱患:一是頂板垮落不及時，抽采效果不穩定，導致上隅角偶有超限,二是在頂板冒落過程有引發爆炸的安全隱患。

隨著礦井的不斷延伸,15#煤層瓦斯含量逐漸增大,巷道掘進期間瓦斯涌出量較大,施工低位抽采巷掘進工程量和資金投入較大,掘進時間較長,導致工作面接替緊張。近年來,隨著定向鉆機施工技術的不斷發展,采用“以孔代巷”技術來進行瓦斯治理在許多煤礦得到了應用和推廣[1-6]。以鉆孔代替巷道,可以減少巷道工程,減少井下作業,緩解接替關系,降低工程成本。在此基礎上,在程莊煤礦15#工作面開展定向鉆機施工頂板走向低位長距離鉆孔抽采采空區瓦斯的“以孔代巷”試驗,進行了鉆孔參數優化和抽采工藝研究,形成了適合礦井煤層條件的“以孔代巷”成套技術工藝,保障了工作面的安全回采。

1 試驗工作面概況

試驗選在程莊煤礦15306綜放工作面,該工作面位于井田中部南翼,工作面走向長度225 m,傾向推進1 155 m,面積259 875 m2,保有儲量247.401萬t,可采儲量230.3萬t。工作面地面標高1 111.6～1 050.6 m,井下標高790.5～764.5 m,埋藏深度為286.1～321.1 m。工作面煤層賦存穩定、結構簡單,煤層厚度最大為6.50～8.65 m,平均7.23 m。工作面總體為北高南低的單斜構造,走向近乎西北-東南向,傾角在2°～13°。工作面無斷層、褶曲影響,整體地質構造簡單,主要賦存構造為陷落柱。工作面瓦斯主要采用本煤層、鄰近層、采空區抽放方式。本煤層采用的是在工作面進、回風順槽施工瓦斯抽采鉆孔,鉆孔深度110 m,鉆孔間距3 m,瓦斯抽采量為2 m3/min;鄰近層采用頂板走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯,瓦斯抽采量為21 m3/min;采空區利用低位抽采巷抽采工作面及上隅角瓦斯,瓦斯抽采量為3 m3/min。試驗前,工作面已回采700 m。

2 “以孔代巷”技術

2.1 “以孔代巷”技術原理

根據相關學者“橫三區”“豎三帶”的研究結果,工作面采動后,上覆巖層自上而下形成彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶[7-8],同時在采空區四周存在一些互相連通的采動裂隙,即“O”型圈,“O”型圈的存在為卸壓瓦斯存儲和流動提供了空間和通道。工作面聚集在上隅角的瓦斯通過上覆巖層裂隙向采空區涌入,低位抽采巷主要是為了解決上隅角瓦斯集聚的問題[9-10],而垮落帶為高濃度瓦斯富集區,因此低位抽采巷主要布置在垮落帶內[11]。以鉆孔代替低位抽采巷技術是利用定向鉆機能夠對鉆孔軌跡進行精確控制的特點,在靠近回風巷側的“O”型圈內施工一定數量的長距離大直徑鉆孔,并使鉆孔軌跡沿頂板裂隙帶有效延伸,從而實現頂板裂隙帶和垮落帶內卸壓瓦斯的穩定高效抽采,保證高濃度、大流量、長時間的鉆孔瓦斯抽采效果,達到“以孔代巷”的目的。

2.2 低位抽采鉆孔層位確定

根據礦井地層綜合柱狀圖,15#煤層直接頂為強度較高的石灰巖,平均厚度可達13.76 m,老頂為強度較弱砂質泥巖,平均厚度可達11.51 m,上覆巖層巖性總體屬于中硬巖性,可以按經驗公式(1)來確定垮落帶高度(h1)和裂隙帶(h2)。

(1)

(2)

式中:b為累計采厚,m;15#煤層工作面采厚取7.2 m。

帶入式中計算得出,垮落帶高度為11.4～15.8 m,裂隙帶高度為44.2～48.6 m。因此,初步確定低位抽采鉆孔范圍11.4～48.6 m。

低位抽采鉆孔距離回風巷的水平距離S可通過“O”型圈理論來確定,計算過程如下:

L=[h-(l+hcosθ)tanα]sina+(B+

hcotθ)cosa.

(3)

式中:L為鉆孔與回風巷的水平距離,m;h為抽采鉆孔的終孔點與煤層頂板距離,m;l為鉆孔距“O”型圈的外邊界距離,一般取0～34 m;α為煤層傾角,(°);θ為“O”型圈外邊界與開采邊界的連線跟煤層的傾角,(°)。

根據公式得出低位鉆孔與回風巷之間的最大距離為57 m。

2.3 低位抽采鉆孔設計與施工

1)鉆孔設計。參照工作面裂隙帶發育情況和以往瓦斯抽采經驗,同時為下一步鉆孔層位提供參考,鉆孔軌跡位于頂板以上8～48 m的巖層內,設計鉆孔6個。其中：1#鉆孔距離煤層頂板18 m,距回風巷幫36 m;2#鉆孔距離煤層頂板7.5 m,距回風巷幫30 m;3#鉆孔距離煤層頂板22.5 m,距回風巷幫22 m;4#鉆孔距離煤層頂板28 m,距回風巷幫46 m；5#鉆孔距離煤層頂板38 m,距回風巷幫53 m；6#鉆孔距離煤層頂板48 m,距回風巷幫60 m。抽采鉆孔設計見圖1。

圖1 低位長距離鉆孔設計示意圖Fig.1 Design diagram of low-level long-distance drilling

2)鉆孔施工。鉆孔施工分為三步,一次成孔和兩次擴孔,具體步驟為:按施工設計要求調整好角度并固定鉆機→Φ98 mm鉆頭開孔18 m→Φ98 mm鉆頭施工到設計深度→洗孔→起拔鉆桿→更換Φ133 mm鉆頭擴孔至設計位置→洗孔→起拔鉆桿→再更換Φ153 mm鉆頭擴孔至設計位置→洗孔→起拔鉆桿→Φ200 mm管(水泥注漿)封孔→通過Φ133 mm埋線管與集中放水器連接→清理現場。

3)通過采用ZDY6000L大功率鉆機復合鉆進工藝,利用電磁波無線測量系統(電磁波無線隨鉆測量系統、無線螺旋槽無磁鉆桿、無線三棱螺旋槽馬)和高強度無線三棱螺旋槽鉆桿,成功施工了6個長距離定向鉆孔,鉆孔總進尺2 111 m。每個鉆孔安設了自動計量裝置和孔板流量計,抽采管路安設在線監控系統。鉆孔施工示意圖見圖2,鉆孔參數如表1所示。

圖2 定向長距離鉆孔施工示意圖Fig.2 Construction diagram of directional long-distance drilling

表1 15306回采工作面鉆孔參數Table 1 Drilling parameters of 15306 working face

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 低位抽采巷瓦斯抽采情況

在采用低位長距離鉆孔進行抽采以前,對兩個月內15306工作面回采期間低位抽采巷瓦斯抽采數據、工作面回風流和回風隅角瓦斯含量進行統計,統計結果如表2所示。

表2 15306工作面瓦斯含量Table 2 Gas parameters of 15306 working face

工作面正常回采期間,低位抽采巷瓦斯抽采混合量平均152 m3/min,抽采瓦斯體積分數為1.25%,瓦斯抽采純量1.91 m3/min；工作面回風流瓦斯體積分數保持在0.48%,回風隅角瓦斯體積分數保持在0.49%。

3.2 低位長距離鉆孔瓦斯抽采效果分析

工作面回采期間,將鉆孔與瓦斯抽采系統連接,抽采負壓不低于20 kPa,從2020年1月18日開始至4月20日累計抽采65 d,支管單日最大瓦斯抽采純量2.55 m3/min,抽采瓦斯體積分數為25.01%,累計瓦斯抽采總量14.2萬m3,瓦斯抽采效果如圖3所示。

圖3 低位長距離鉆孔瓦斯抽采效果Fig.3 Gas drainage effect of low-level long-distance drilling

由圖3可以看出,工作面經過鉆孔終孔點27 m前,由于鉆孔附近裂隙尚未完全發育,鉆孔未與采空區溝通,鉆孔瓦斯抽采含量和鉆孔瓦斯抽采純量較小;當工作面推進距離鉆孔終孔點27～68 m時,由于頂板大面積垮落,工作面頂板裂隙進一步擴大,鉆孔與采空區裂隙逐漸連通,在抽采負壓的作用下,采空區瓦斯流動至抽放管路中,鉆孔瓦斯抽采混合量增加,抽采瓦斯含量升高,鉆孔瓦斯抽采純量開始增加;當工作面推進距離鉆孔終孔點68～256 m時,采空區與抽放鉆孔完全溝通,頂板巖層中裂隙交互產生,采空區的大量瓦斯通過鉆孔不斷被抽走,鉆孔抽采瓦斯含量和純量基本保持穩定;當工作面推進距離鉆孔終孔點256 m以后,采空區逐漸被壓實,裂隙減少,鉆孔的有效抽采長度減少,采空區瓦斯抽采純量開始降低;當工作面推進距離鉆孔終孔點326 m以后,鉆孔瓦斯抽采純量和瓦斯抽采含量基本保持不變。

3.3 單個鉆孔瓦斯抽采情況分析

單個鉆孔瓦斯抽采情況如圖4所示。

圖4 單個鉆孔瓦斯抽采情況Fig.4 Gas extraction of a single borehole

從整體上看,3#鉆孔抽采效果最好,抽采純量可達2.5 m3/min;2#鉆孔與1#鉆孔抽采純量基本一致,最高可達1 m3/min,并且比較穩定;4#、5#和6#鉆孔瓦斯抽采純量剛開始較低，為0.3 m3/min左右,因此采取對3個定向鉆孔進行桶孔的措施,桶孔后，鉆孔瓦斯抽采純量發生了較大變化,瓦斯抽采純量提升到0.6 m3/min左右,說明鉆孔施工后部分段由于塌孔導致鉆孔抽采不暢通,影響了瓦斯抽采效果。

從鉆孔布置層位上看,3#鉆孔與回風順槽的水平距離與低位抽采巷基本一致,位于“O”型圈內,垂直高度位于垮落帶和裂隙帶中間;1#、2#鉆孔位于“O”型圈的邊緣;4#、5#鉆孔位于采空區重新壓實區,水平距離回風順槽較遠,不能有效地進行抽采;6#鉆孔層位與高抽巷的層位基本一致,位于垮落帶的上部,采空區裂隙發育較差。

通過對6個鉆孔的單孔瓦斯抽采純量可以看出,低位長距離鉆孔的合理布置位置應為：距離煤層頂板的垂直距離為7.5～22.5 m,距離回風順槽的水平距離為8～23 m。

3.4 工作面瓦斯含量變化情況

15306工作面從2020年1月18開始采用低位長距離鉆孔進行抽采,對工作面回風流和回風隅角瓦斯含量進行了觀測,回采工作面瓦斯含量變化情況如圖5所示。隨著工作面距離鉆孔終孔點距離的增加,回風流和回風隅角瓦斯含量開始逐漸下降,在184 m處時工作面回風流和回風隅角瓦斯含量降到最低,分別為0.33%、0.36%。在使用低位長距離鉆孔進行抽采期間,工作面回風流和回風隅角瓦斯體積分數始終保持在0.33%～0.51%、0.36%～0.65%,工作面未發生瓦斯報警情況。

3.5 低位抽采巷與長鉆孔抽采效果對比

15306工作面回采期間采用低位瓦斯抽采巷與低位長距離鉆孔瓦斯抽采效果對比,如圖6所示。

圖5 回采工作面瓦斯變化情況Fig.5 Gas concentration variationof the working face

圖6 低位抽采巷和低位鉆孔瓦斯抽采效果對比Fig.6 Comparison of gas extraction between low-level drainage roadway and low-level long-distance drilling

由圖6可以看出,在工作面正常生產期間,低位長距離鉆孔的瓦斯抽采純量平均2.19 m3/min,低位抽采巷的瓦斯抽采純量平均1.91 m3/min;低位長距離鉆孔抽采瓦斯含量變化幅度較大,瓦斯抽采體積分數在6%～26%之間,低位長距離鉆孔的抽采瓦斯含量變化不大,瓦斯抽采體積分數平均為1.25%。工作面回采期間,由于低位抽采巷的斷面面積較大,揭露巖層范圍大,巖體充分卸壓,單位時間內通過低位抽采巷內氣體混合量較大,稀釋了瓦斯的含量,導致抽采瓦斯的含量較低。

整體上來看,低位長距離鉆孔的瓦斯抽采純量要比低位抽采巷略高一些,但從瓦斯治理效果來說,兩者均成功解決了回采工作面上隅角瓦斯問題,低位長距離鉆孔可以代替低位抽采巷。

4 經濟效益分析

程莊煤礦回采工作面走向長度1 200 m左右,如果采用低位抽采巷,需要沿15#煤層頂板施工一條煤巷,施工周期為6個月;如果采用低位定向長距離鉆孔,回采工作面需要每隔350 m施工一個鉆場,每個鉆場施工6個鉆孔,鉆孔總進尺6 810 m,施工過程中可以和回風順槽掘進、工作面回采平行作業,互不影響,且可分段施工,施工周期為3個月。低位抽采巷與長鉆孔抽采經濟效益對比如表3所示。

表3 經濟效益對比Table 3 Comparison of economic benefits

在確保工作面不發生瓦斯報警的情況下,與采用低位抽采巷進行抽采相比,施工低位長距離鉆孔費用降低25%,施工周期縮短50%。因此低位長距離鉆孔既節省開采成本,又縮短施工時間,在現場生產中是可行、合理的。

5 結論

1)在15306工作面采用定向鉆機施工了6個低位長距離鉆孔,鉆孔總進尺2 111 m,鉆孔孔徑153 mm。

2)根據單孔瓦斯抽采觀測結果,低位長距離鉆孔的合理布置位置應為：距離煤層頂板7.5～22.5 m,距離回風順槽的水平距離為8～23 m。

3)抽放支管單日最大瓦斯抽采純量2.55 m3/min,抽采瓦斯體積分數為25.01%,工作面回采期間回風流和回風隅角瓦斯未發生瓦斯報警現象,初步實現了“以孔代巷”的瓦斯抽采效果,有效解決了瓦斯治理問題。

4) 通過試驗研究,低位長距離鉆孔抽采比低位抽采巷更有效,施工時間縮短50%,工程成本節約了25%,不僅有效緩解了礦井抽、掘、采銜接緊張的問題，而且實現了礦井瓦斯治理降本增效,適合在類似條件礦井推廣應用。