順層定向長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯技術研究

鄧林峰

(中國中煤能源集團有限公司,北京 100020)

煤礦井下定向鉆進技術因其簡單高效的施工方法、精準可控的施工軌跡、長距離大直徑的成孔性能等特點[1-3],近年來在我國煤礦地質勘探以及瓦斯、水害、沖擊地壓等災害治理工作中得到了大力推廣和廣泛應用[4-7],特別是在瓦斯治理方面。2018年國家煤礦安監局將頂板高位大直徑定向鉆孔采動瓦斯抽采技術與高效快速成孔技術裝備列為第三批煤礦重大災害防治先進適用技術裝備;2019年修訂的《防治煤與瓦斯突出細則》指出要增加定向長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯區域防突措施。趙旭生等[8]提出的定向長鉆孔瓦斯抽采技術在試驗中取得成功,為高效治理瓦斯提供了新的途徑。王平虎[9]針對特大型突出礦井,通過順層定向長鉆孔實現大面積區域消突。陳功華等[10]也對近距離煤層群高位定向長鉆孔瓦斯進行抽采,上隅角和回風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鉆孔的鉆進工藝,鉆孔流量有所提高。朱興攀等[12]通過改進的長鉆孔及改進的施工工藝,使工期縮短并有效解決了瓦斯超限問題。滑俊杰等[13]采用長鉆孔技術有效消除了煤層突出的危險性。近年來,結合水力壓裂、水力割縫、帶壓封孔、篩管護孔等技術工藝的不斷進步,定向鉆孔正逐漸代替常規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號和3號煤層,煤層瓦斯含量大,瓦斯致災因素較為嚴重,加上建成投產時間較短,礦井瓦斯災害治理技術、裝備及專業力量上均存在一定不足,影響了安全生產。尤其是礦井進入東翼開拓新采區時,煤層瓦斯含量進一步增大,孤立治理單一煤層瓦斯的舊模式嚴重制約了巷道掘進進度,礦井單進水平一直在低位數徘徊。為了提高瓦斯抽采效率,縮短抽采達標時間,提出利用順層定向長鉆孔瓦斯抽采技術以及定向長鉆孔區域預抽工程,進行礦井瓦斯治理。

1 工程概況

高家莊煤礦位于河東煤田離柳礦區南部,井田面積39.98 km2,一期建設規模1.2 Mt/a(總建設規模3.0 Mt/a)。礦井井田地質構造屬簡單類型,總體為一走向NW傾向SW的單斜構造。主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組,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號煤層,平均總厚度10.85 m;主采上組煤2號、3號煤層,3號煤層厚度1.7～1.8 m,平均1.75 m,煤層不含夾矸,結構簡單,為Ⅲ類破壞煤,煤黑色,粉狀、塊狀結構,有玻璃光澤;3號煤層距2號煤層6.5 m,2號煤層平均厚度1.6 m,3號煤層距4號煤層7.5 m,4號煤層平均厚度1.1 m。上煤組中平行布置軌道、膠帶、回風3條大巷,回風、膠帶大巷分別沿2號、4號煤層頂板布置,軌道大巷沿3號煤層以+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,東部為未采動區域,西部為已施工完成的東翼軌道大巷,南部為未采動區域。X3瓦斯鑒定巷接東翼軌道大巷舊導16點前3 m位置繼續掘進,開掘位置底板標高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號煤層,施工35 m后巷道預計將穿過3號煤層,在3號煤層與4號煤層之間施工。

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

東翼軌道開拓大巷的同時將作為東翼新采區瓦斯鑒定巷,未完成突出危險性鑒定前所有煤層均按突出煤層進行管理,執行兩個“四位一體”綜合防突措施。3號、4號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,煤的最小堅固性系數均小于0.5。礦井絕對瓦斯涌出量24.09 m3/min,相對瓦斯涌出量14.15 m3/t,為高瓦斯礦井;個別掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量達到9.8 m3/min。

2 區域預抽鉆孔設計與施工

2.1 定向長鉆孔預抽技術

底抽巷抽采技術中常用的穿層鉆孔技術面臨著瓦斯抽出率低、底抽巷掘進時間長、成本高等難題,難以滿足現代煤礦安全高效生產的需求。隨著千米鉆機的發展和打鉆封孔工藝的進步,使得采用順層長鉆孔預抽瓦斯可以高效的對掘進工作面進行大面積的區域消突。

順層長鉆孔預抽煤層瓦斯技術的實質是采用施工大孔徑順層長鉆孔抽采煤層瓦斯的方法,通過破壞煤體中原有的應力分布,釋放煤層局部壓力,從而使瓦斯大量涌出,煤體中的瓦斯潛能得到釋放,再經過一定時間的抽排,煤層瓦斯含量會明顯減少,進而導致煤層發生形變及應力降低,增大了煤層的透氣系數,最終消除瓦斯突出的隱患。鉆孔的直徑及鉆孔深度將會直接影響順層長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,但是當直徑增大到一定范圍之后,其卸壓能力變化不大,且鉆進速度也會變慢,同時也可能會產生卡鉆、埋鉆等情況。順層鉆孔揭露煤層的面積大,同時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力分布及卸壓破壞范圍,在此作出如下假設:煤體為連續均質的;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。在此基礎上,由于順層長鉆孔的長度遠大于鉆孔的徑向尺寸和對周圍煤體的影響范圍,可認為在徑向截面上所有應力分量、形變分量和位移分量都是平面坐標的函數,而不會沿軸線方向改變,各點的位移矢量都垂直于鉆孔的軸線方向。因此,為了簡化分析過程,將鉆孔周圍煤體的變形移動看作是平面應變問題。經推導可知,順層鉆孔周圍塑性破壞區半徑計算公式如下:

(1)

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

根據工作面試驗現場的有關參數計算可得,3號煤層鉆孔抽采半徑為3.7 m、4號煤層鉆孔抽采半徑為3.37 m,鉆孔設計間距應不大于半徑的2倍。

2.2 定向長鉆孔設計

根據現場施工及瓦斯地質情況,3號、4號煤層均采用定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施。鉆孔布置平面圖如圖2、圖3所示。其中3號煤層共布置9個定向鉆孔,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絡巷所在區域;4號煤層共布置4個定向鉆孔,控制X3瓦斯鑒定巷下鄰近層4號煤層。

圖2 3號煤層鉆孔設計平面圖Fig.2 Drilling design of No.3 coal seam

圖3 4號煤層鉆孔設計平面圖Fig.3 Drilling design of No.4 coal seam

2.3 定向長鉆孔施工

東翼軌道開拓大巷采用定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施。鉆場布置在工作面迎頭。3號煤層內施工7個定向長鉆孔(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依次布置,控制在巷道左右輪廓線外15 m區域,鉆孔孔徑98 mm,平均孔深320 m。設計4號煤層內施工7個定向長鉆孔(8#-14#),鉆孔孔徑、孔深、位置、水平間距、控制范圍等均與3號煤層鉆孔相同。3號煤層鉆孔施工過程中,每50 m向頂板、底板探一次2號、4號煤層層間距,根據探測結果修改完善4號煤層定向鉆孔布置。工作面迎頭處定向鉆孔抽采盲區補充常規順層鉆孔。3號和4號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號煤層鉆孔平面竣工圖

(b) 3號煤層鉆孔剖視圖圖4 3號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號煤層鉆孔剖視圖圖5 4號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進行施工,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,鉆進能力大于1 000 m。3號煤層施工共45 d,3號煤層累計進尺4 212 m;4號煤層共施工49 d,4號煤層累計進尺4 701 m。

鉆桿直徑74 mm,各鉆孔采用Φ113鉆頭開孔,長度18 m,采用Φ153鉆頭進行一次擴孔,采用Φ193鉆頭進行二次擴孔,下入6封孔管,兩堵一注封孔工藝,入封孔管進行注漿封孔,封孔長度10～15 m,侯凝1 d后開始正常鉆進。施工過程中未發生瓦斯動力現象。

表1 3號煤層鉆孔終孔參數Table 1 Final borehole parameters in No.3 coal seam

表2 4號煤層鉆孔終孔參數Table 2 Final borehole parameters in No.4 coal seam

3 預抽效果分析

3.1 抽采體積分數及純量變化

3號煤層4#鉆孔開始施工后即接抽,共抽取124 d,7個鉆孔累計抽采瓦斯333 936.71 m3。由圖6可知,2#鉆場抽采體積分數和抽采純量呈正相關,抽采純量隨著抽采體積分數的增加而增大;平均抽采體積分數為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號煤層抽采體積分數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號煤層2#鉆孔開始施工后即接抽,共抽取125 d,觀測7個鉆孔累計抽采瓦斯252 571.27 m3。由圖7可知,2號鉆場抽采體積分數和抽采純量呈正相關,抽采純量整體隨著抽采體積分數的增加而增大,平均抽采體積分數為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號煤層抽采體積分數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

在X3瓦斯鑒定巷及附屬聯絡巷中布置9個檢測測試孔和9個測試點,以檢測3號、4號煤層中瓦斯含量。其中在3號煤層中布置6個測試點,在4號煤層中布置3個測試點。測點按要求均勻布置在抽采區域內,并且測點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絡巷3號煤層殘余瓦斯含量統計表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絡巷4號煤層殘余瓦斯含量統計表Table 4 Residual gas content of X3 gas identification roadway and affiliated connection roadway in No.4 coal seam

經過采取區域防突措施后,區域檢驗點處殘余瓦斯含量值均小于8 m3/t(構造區域小于6 m3/t)。根據《防治煤與瓦斯突出細則》要求,X3瓦斯鑒定巷及附屬聯絡巷本次評判范圍內3號和4號煤層抽采達標且效果良好,允許揭煤,掘進。

4 結論

介紹了定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯的區域瓦斯治理技術,分析了影響抽采效果的鉆孔參數,結合高家莊煤礦煤層與瓦斯賦存特征,提出了定向長鉆孔設計,在3號和4號煤層共施工了14個定向長鉆孔,分析了定向長鉆孔瓦斯抽采效果和抽采達標情況。結果表明,定向長鉆孔瓦斯抽采技術抽采速度快,能夠實現定向的區域消突,為新采區開拓提供了安全保障。

1)定向長鉆孔具有明顯的優勢,其延伸距離長、覆蓋范圍廣,且能保證鉆孔在煤層內有效延伸,可實現連續區域化抽采,消除空白帶。

2)在3號和4號煤層共施工了14個定向長鉆孔,觀測結果表明抽采體積分數和抽采純量呈正相關, 日瓦斯抽采體積分數最大為40%, 日最大瓦斯抽采純量達3 965.79 m3。

3)定向長鉆孔瓦斯抽采技術與普通順層鉆孔相比抽采速度快,煤層群經過條帶巷長鉆孔抽采后,殘余瓦斯含量符合標準,實現了定向條帶的區域消突。