基于高位定向鉆孔的上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

楊永強(qiáng)

(晉能集團(tuán)有限公司,太原 030032)

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,礦井瓦斯的涌出嚴(yán)重威脅、制約著礦井的安全生產(chǎn)[1]。研究表明,工作面回風(fēng)流中50%以上瓦斯來(lái)自于采空區(qū)[2],并在上隅角附近積聚,造成瓦斯超限,甚至引起瓦斯爆炸等事故。針對(duì)工作面上隅角瓦斯治理,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作,采取的主要措施包括高抽巷法、尾巷法、地面鉆孔法、埋管法、普通高位鉆孔法等[3],這些方法在一些礦區(qū)取得了較好的治理效果,但均存在一定的不足。高位定向鉆孔由于具有軌跡可控、工程量小、施工周期短、鉆孔有效長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4-6],已成為工作面上隅角瓦斯治理的重要手段,在我國(guó)多個(gè)集團(tuán)公司得到廣泛應(yīng)用。因此,本文選擇本集團(tuán)一典型礦井工作面作為試驗(yàn)工作面,考察高位定向鉆孔治理上隅角瓦斯的效果,從而為相關(guān)礦井高位定向鉆孔施工提供相關(guān)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)。

1 高位定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

利用高位鉆孔抽采上隅角瓦斯就是基于巖層移動(dòng)關(guān)鍵層理論及采空區(qū)裂隙分布“O”型圈理論[7],將施工鉆孔的終孔布置在頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育范圍內(nèi),通過(guò)鉆孔抽采瓦斯,降低工作面上隅角及回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?基本原理如圖1所示。其中鉆孔終孔位置的確定是影響抽采效果的關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采工作面上隅角瓦斯原理Fig.1 Principle of high position directional drilling gas in the upper corner

試驗(yàn)工作面上覆頂板主要由泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖等組成,其頂板的冒落帶和裂隙帶垂直高度一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[8]:

(1)

(2)

式中:M為累計(jì)開(kāi)采厚度,m;Hm為冒落帶高度,m;HL為裂隙帶高度,m。

高位鉆孔有效高度H應(yīng)位于裂隙隙帶范圍,因此應(yīng)滿足:Hm

該工作面煤層平均厚度為12.6 m,代入式(1)(2),經(jīng)計(jì)算得冒落帶高度Hm為13.90 m～18.30 m,裂隙帶高度HL為47.43 m～58.63 m。因此,設(shè)計(jì)的高位鉆孔高度取值范圍為18.30 m～58.63 m。本次試驗(yàn)高位定向鉆孔設(shè)計(jì)在18101工作面2號(hào)回風(fēng)順槽1號(hào)橫貫施工1組高位定向鉆孔,具體參數(shù)如表1所示。

表1 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of high position directional drilling holes

2 試驗(yàn)效果分析

2.1 高位定向鉆孔施工情況

本次試驗(yàn)鉆孔先用Φ98 mm的鉆頭開(kāi)孔,至基巖后更換Φ153 mm的鉆頭全煤段擴(kuò)孔,再更換Φ193 mm的鉆頭再次擴(kuò)孔,然后全煤段下Φ153 mm的套管后用水泥封孔,待水泥凝固24 h后繼續(xù)用Φ98 mm的鉆頭施工,在鉆孔的爬坡階段預(yù)留分支點(diǎn)。其中1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)鉆孔在施工過(guò)程中因鉆進(jìn)異常各產(chǎn)生一個(gè)分支短孔,最終完成的鉆孔軌跡如圖2所示,各鉆孔終孔點(diǎn)具體位置如圖3所示。

圖2 高位定向鉆孔成孔軌跡圖Fig.2 Trajectory chart of high position directional drilling

圖3 高位定向鉆孔終孔位置圖Fig.3 Final position of high position directional drilling holes

2.2 高位定向鉆孔瓦斯抽采情況

由于鉆孔成孔及抽采時(shí)間有先有后,不同時(shí)間段同時(shí)作用的孔數(shù)不同,從時(shí)間上看,主要分為四個(gè)階段,即:第一階段是聯(lián)抽初期,鉆孔還未進(jìn)入采空區(qū),抽采濃度和混量均很低;第二階段是抽采純量穩(wěn)定階段,隨著鉆孔進(jìn)入采空區(qū),抽采濃度和混量一段時(shí)間穩(wěn)定;第三階段是衰減期,隨著鉆孔有效長(zhǎng)度的減少,抽采濃度開(kāi)始降低;第四階段是抽采末期,鉆孔在回采、礦壓、塌孔等多重因素影響下,濃度和壓差沒(méi)有規(guī)律性。不同時(shí)間段每個(gè)鉆孔平均抽采純量如表2所示。

表2 不同時(shí)間段每個(gè)鉆孔平均抽采純量Table 2 Average drainage per holes at different time period (m3·min-1)

注:-表示未抽采

從表2可知:

1)6#、5#、4#孔整體抽采效果要好于3#、2#和1#孔,其中6#和4#鉆孔的單孔抽采純量最大可達(dá)3 m3/min,且濃度和流量較穩(wěn)定。2#孔壓差最大,但濃度也最低,抽采純量較小。

2)在本次施工范圍內(nèi),瓦斯抽采純量與終孔位置高低呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,終孔位置越高,抽采純量越大。

3)高位定向鉆孔抽采效果主要取決于回采后頂板圍巖冒落規(guī)律,與裂隙帶分布規(guī)律基本吻合。

4)6個(gè)鉆孔平均抽采純量為4.3 m3/min,回采過(guò)程中工作面平均風(fēng)排瓦斯量?jī)H為0.7 m3/min。根據(jù)測(cè)風(fēng)報(bào)表和瓦斯日?qǐng)?bào)表可知，回采工作面配風(fēng)800 m3/min左右，瓦斯?jié)舛仍?.09%左右，工作面抽采率達(dá)86%。

5)抽采末期的抽采純量較穩(wěn)定期降低60%左右,但也能保持在1 m3/min以上,只要下一組的接茬鉆孔能及時(shí)聯(lián)抽上一組鉆孔,就能保證抽采效果。

2.3 上隅角瓦斯涌出情況

該工作面上隅角瓦斯治理之前主要靠上隅角風(fēng)障導(dǎo)風(fēng),但在拉架或采空區(qū)頂板冒落時(shí)瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超過(guò)0.8%,在采用高位定向鉆孔后,上隅角瓦斯涌出情況如表3所示。

表3 高位定向鉆孔抽采前后上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆rTable 3 Upper corner gas concentration variation before and after the high position directional drilling

由表3可見(jiàn),在采用高位定向鉆孔抽采后上隅角的瓦斯?jié)舛冉档洼^為明顯,未出現(xiàn)瓦斯超限事故,有效解決了上隅角瓦斯超限。

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)及應(yīng)用表明,高位定向鉆孔瓦斯抽采純量占到工作面瓦斯涌出量的86%,有效解決了上隅角瓦斯超限的問(wèn)題。

2)通過(guò)試驗(yàn)工作面高位定向鉆孔抽采瓦斯的實(shí)踐,為該礦區(qū)的鉆孔布置提供了參考,探索出了適用于該礦的上隅角瓦斯治理的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。