1、定向高位拦截钻孔治理隅角瓦斯技术研究与应用蒋和财邹全乐戴英健吴成兵(四川古叙科技咨询服务有限公司四川 泸州 重庆大学重庆 川南煤业泸州古叙煤电有限公司四川 泸州)摘 要:在单一煤层回采工作面上隅角作业过程中上隅角因通风系统不畅容易发生瓦斯超限事故是制约煤矿安全生产的重要难题 通过投入新工艺、新设备采用千米定向钻机向固定层位的瓦斯来源通道实施定向高位钻孔拦截邻近层、围岩、采空区等通道的瓦斯并实施定向抽采为消除工作面的超限瓦斯提供保障关键词:定向钻机裂隙带瓦斯抽采上隅角中图分类号:.文献标识码:文章编号:()上隅角位于采煤工作面的回风巷上帮和采空区边缘的三角地带通风情况不好温度湿度较高极易造成瓦斯
2、积聚和超限是煤矿“一通三防”管理的重点区域 国内外治理上隅角瓦斯积聚的方法有专用高抽巷、埋管、高位钻孔等抽采技术减少了煤矿瓦斯超限事故的发生次数 但这些抽采技术存在一些问题如专用高抽巷的施工周期长、施工费用高和埋管抽采的后期维护成本高等高位钻孔抽采技术优势最明显施工方式简单不足是采空区的垮落致使钻孔被封堵导致瓦斯抽采的时间短、衰减快影响上隅角瓦斯治理效果 因此当务之急是研究新工艺、新技术、新装备弥补上隅角瓦斯治理技术的不足提高矿井瓦斯的治理能力积极开展千米钻机治理上隅角瓦斯的研究 矿井瓦斯抽采概况某煤矿开采下二叠统龙潭组 煤层属单一煤层开采目前在 水平南、北翼分别布置一个综采工作面回采前均实施
3、区域防突措施采取“水力压裂、穿层、本层、高位钻孔拦截抽采”的综合立体抽采方式抽采瓦斯并检验效果抽采达标评判、区域验证和安全防护措施后再回采 针对上隅角瓦斯浓度极易超限问题采取沿空留巷、护巷的“”型通风方式配合工作面高位钻孔拦截抽采能有效防治围岩、裂隙瓦斯涌入工作面 运用该系统一定程度上防止了上隅角瓦斯浓度超限成功拦截采空区上方瓦斯富集区与围岩裂隙的瓦斯涌出保障了工作面的正常回采 上隅角瓦斯来源分析某煤矿属单一煤层开采在工作面回采过程中原位煤岩体的支撑应力平衡状态被打破在重力作用下采空区上方岩层剧烈下沉垮塌围岩在下沉拉伸过程中发生断裂形成大量裂隙裂隙与采空区沟通形成瓦斯运移通道 带内的岩层和煤层
4、受采动应力影响呈现卸压状态提高了煤岩层开裂的透气性采空区的遗煤及本煤层卸压吸附瓦斯解吸“活化”呈游离态沿纵向裂缝流向采场回风造成瓦斯浓度超限或局部聚集 单一煤层采动影响范围分析在采动影响下采空区顶板煤岩体的剧烈下沉导致上覆岩体运移破坏垮塌根据岩层的破坏程度与位移状态(图)由下至上可以划分成“竖三带”即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带而弯曲下沉带是裂隙带以上的煤岩体受采动影响较小只发育了少量裂隙煤岩体较完整对煤层整体卸压效果影响很小 上覆煤岩体沿回采工作面推进方向被划分成“横五区”即应力稳定区、煤壁支撑影响区、卸压区、离层区和重新压实区图 单一煤层开采采动影响范围及瓦斯积聚示意图.冒落带的影响范围分析
5、冒落带是煤层被回采后上覆岩层失去支撑作用原岩体自然垮塌随着采煤工作面推进带内的大小岩块周期性、非连续性地移动和冒落并在原地无序堆积 岩层冒落带高度沿层理法线为煤层厚度的 倍 工作面直接顶为灰色泥灰岩和深灰黑砂质泥岩平均抗压强度为.直接底为厚.的泥质角砾岩和灰岩平均抗压强度为.顶板冒落带高度的计算如下:.()式中:为冒落带高度 为煤层开采的厚度单位 平均采厚为.计算可知冒落带高度为.裂隙带的影响范围分析裂隙带是冒落带岩体破坏后上覆岩层受到的双向拉应力比岩体抗拉强度大而下沉发生的塑性变形在竖向上形成大量纵横交错的张应力裂隙网络与下伏冒落带有效沟通是瓦斯运移的通道 煤层采动过程中导致煤层卸压、应力重
6、新分布后大量吸附态瓦斯解吸为游离态通过卸压裂隙通道运移至采空区使采空区瓦斯浓度升高导致回风上隅角瓦斯积聚影响矿井的安全生产 裂隙带的影响高度计算如下:.()式中:为裂隙带高度 为煤层开采的厚度单位 平均采厚为.计算可知裂隙带高度为 .“横五区”的影响范围分析“横五区”根据煤矿回采工作面瓦斯抽采规律总结采前、采后卸压瓦斯抽采经验 通过对不同距离、范围瓦斯赋存和抽采量的分析将走向长壁后退式采煤工作面的瓦斯抽采划定为“横五区”具体如下:工作面前方大于 为应力稳定区:该区域处于采动影响范围以外瓦斯赋存较稳定工作面前方 为煤壁支撑区:该范围受工作面采动影响在采动应力与地应力作用下煤层裂隙发育多数瓦斯由吸
7、附态变为游离态瓦斯膨胀量较大.为工作面卸压区:该范围处于全部卸压状态存在少数抽采的游离瓦斯工作面落煤产生的瓦斯随风排出工作面后方 范围为顶板离层区:伪顶随支架前移而垮落直接顶下沉老顶弯曲直接顶产生大量裂隙为围岩瓦斯运移通道工作面 以外为重新压实区:在“横五区”内煤壁支撑区、卸压区和顶板离层区受到的采动影响最大走向采动影响与采空区竖向裂隙十分发育是瓦斯富集带为瓦斯抽采的重点区域 千米定向钻机治理上隅角瓦斯技术方案千米定向钻机治理工作面回风上隅角瓦斯技术的关键在于利用千米定向钻机在煤层顶板裂隙带内沿煤层走向施工长钻孔煤层顶板裂隙带较冒落带存在层位稳定、不会因开采而垮落和孔隙裂隙发育等优点顶板定向长
8、钻孔可以抽采采空区积聚的瓦斯有效治理回风上隅角瓦斯问题相比普通高位钻孔利用率更高可以大幅减少钻孔搬运和开孔次数大大提升工作效率.千米定向钻机技术简介目 前 国 内 定 向 钻 机 的 种 类 较 多 矿 井 拟 用 型千米定向钻机及配套装备 技术原理是利用螺杆钻具的造斜能力改变钻机钻进的孔斜角和方位角达到设计目的 矿井下定向长钻孔能实现定向钻进钻进系统中的随钻测量仪器是基础和关键能够实时精确地测量和计算钻孔几何参数达到准确控制钻孔轨迹的目的 技术优势在于钻孔轨迹可控、精度高、无盲区目标层位的有效比例高工程量少综合成本低实现“探、掘平行作业”解决了时空矛盾国内很多煤矿引进大功率定向钻机用于瓦斯治
9、理和防治水小型定向钻机用于超前探测 井下使用的普通钻机功率小因钻孔重力及岩层地质影响施工长度越大钻孔漂移越大定向效果越差一般用于短钻孔预抽煤层瓦斯及探放水 因此有必要开展千米定向钻机在瓦斯治理中的应用研究.钻孔布置试验煤矿计划在目标工作面回风顺槽布置定向钻孔抽采钻场对目标工作面开展顶板定向高位瓦斯钻孔施工 综合考虑目标工作面回采速度、抽采效果和采空区顶板下沉影响抽采等因素拟定于工作面回风顺槽每隔 施工 个高抽孔终孔在 煤层顶板以上.钻孔首先超前预抽本煤层瓦斯和 煤层瓦斯然后控制上隅角对应段的煤层瓦斯 在设计顶板定向高位钻孔时层位必须布置在顶板岩层裂隙带内相对稳定的位置保证钻孔有效抽采范围涵盖裂
10、隙带内瓦斯顶板定向长钻孔布置见图.钻孔施工工艺本次试验施工装备主要包括:型履带式全液压坑道千米定向钻机、搭配 高强度中心通缆钻杆和 铍铜无磁钻杆、带有.结构弯角的 进口螺杆马达、平底烧结胎体式 钻头、型泥浆泵和 型()钻孔平面布置示意图()钻孔剖面布置示意图图 千米定向钻机治理上隅角瓦斯钻孔布置示意图随钻测量系统 相比普通钻孔施工定向钻进施工的特点是采用带有.弯角的螺杆马达定向钻孔施工时钻具不回转只有螺杆钻具的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状况实时调整螺杆钻具面向角实现钻孔轨迹受控精确定向的目的.预计瓦斯抽采效果按照设计要求完钻每个钻孔下入直径为 的筛管 采用“两堵
11、一注”带压封孔工艺封孔“两堵”为两端囊袋“一注”为中空部分带压注入高强度、高渗透性的膨胀水泥保证钻孔气密性封孔长度大于封孔后用管径为 抽采管接抽抽采负压不低于 在工作面回采过程中设置若干普通高位钻孔同时抽采综合分析对比顶板定向长钻孔与普通高位钻孔的抽采浓度及抽采纯量考察顶板高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果 根据常规高位抽采钻孔的抽采参数常规高位钻孔的抽采浓度可达 平均浓度单孔纯流量./平均单孔纯流量./采用千米定向钻机治理上隅角瓦斯抽取工作面裂隙带富集区瓦斯后单孔接抽管的管径增大到 为原接抽管管径的 倍因此预计定向高位钻孔单孔纯流量至少可以增加到./抽采能力至少可以提高 倍使工作面回风顺槽瓦斯浓度
12、由最高.降低至 回风上隅角瓦斯浓度下降到.通过分析计算采空区内左右的瓦斯被顶板定向高位钻孔抽走涌出到回风巷的风排瓦斯量只占 左右 实践证明顶板高位长钻孔有效解决了回采工作面采空区及回风上隅角的瓦斯积聚问题 结论.在煤层回采过程中受采动影响采空区上部形成的裂隙带是瓦斯积聚的有利区域当风量不够或受阻通风不畅时极易造成回风巷上隅角瓦斯积聚严重时引发瓦斯浓度超限 顶板高位定向长钻孔布置在顶板裂隙带中裂隙带内有大量因煤层采动卸压形成的裂隙成为采空区瓦斯运移通道在钻孔抽采负压作用下采空区和上隅角瓦斯会通过裂隙通道及定向长钻孔源源不断地被抽采负压抽入抽采系统解决工作面回采期间回风巷上隅角瓦斯积聚问题.实施高
13、位定向钻机治理上隅角瓦斯后采集高位定向长钻孔与高位抽钻孔瓦斯抽采数据分析两种工艺的优劣掌握顶板定向长钻孔抽采裂隙带瓦斯的控制机理为现场回风上隅角瓦斯采取针对性治理措施提供依据.加大对高位定向钻孔布置的研究优化钻孔布置间距实现高效抽取裂隙带瓦斯彻底解决上隅角瓦斯浓度超限问题.在抽采过程中随着工作面推进定向钻孔套管存在被垮落岩石或断层切割错断的风险会导致大量空气进入抽采孔降低抽采浓度还存在采空区自燃发火的危险参考文献:郭正文.高位瓦斯抽采的关键技术与实践效果/四川省煤炭工业协会.川、渝、滇、黔、桂煤炭学会 年度学术年会(重庆部分)论文集.重庆市煤炭学会:.彭冬.王家岭矿上隅角瓦斯治理机制及定向钻孔关键设计参数研究.煤炭科学研究总院.李虎.大直径定向钻孔瓦斯治理技术研究.能源与环保():.孙海民.煤矿工作面瓦斯治理的高位钻孔抽采技术.现代矿业():.宋浩然.牙星矿含瓦斯煤体动态扩散特征及多场耦合规律研究.中国矿业大学.杜旭.多煤层赋存条件下采场覆岩“竖三带”分布规律研究与应用.煤炭科学研究总院.作者简介:蒋和财()男 重庆人 本科 正高级工程师 从事煤矿瓦斯灾害防治研究工作
