保護(hù)層開采定向長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

李蓬勃

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

保護(hù)層開采是防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施之一[1-4]。通過保護(hù)層開采使采空區(qū)周圍煤巖體應(yīng)力狀態(tài)改變，被保護(hù)層內(nèi)瓦斯得以卸壓，瓦斯壓力和含量降低，從而降低煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性[5-6]，達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出的目的。在保護(hù)層開采過程中可能存在工作面絕對(duì)瓦斯涌出量超限，而瓦斯來源可能為保護(hù)層煤層賦存的瓦斯、回采期間采空區(qū)頂垮落后產(chǎn)生的裂隙帶瓦斯及被保護(hù)層卸壓瓦斯上涌至保護(hù)層采空區(qū)，如何高效解決被保護(hù)層卸壓瓦斯涌出問題是工作面瓦斯治理的關(guān)鍵。

1 礦井概況

陜西韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦位于韓城礦區(qū)的東北端，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井，井田主要含煤地層由石炭系的太原組和二疊系的山西組組成，主采2號(hào)、3號(hào)煤層，其中2號(hào)煤層位于山西組第2旋回上部，下距3號(hào)煤層4～27.89 m，平均13.0 m。煤層厚度0～3.0 m，平均1.0 m。2號(hào)煤層瓦斯放散初速度指標(biāo)(Δp)為6～13；煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)為0.20～0.41；最大瓦斯壓力0.78 MPa；煤層瓦斯含量為2.58～17.29 m3/t；2號(hào)煤層的原始透氣性系數(shù)為0.385 m2/MPa2·d，3號(hào)煤層百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.031 47 d-1，均為較難抽放煤層。礦井采用平硐—暗斜井—立井多水平聯(lián)合開拓方式。

2 瓦斯來源及方案設(shè)計(jì)

2.1 瓦斯來源分析

下峪口煤礦為煤與瓦斯突出礦井，可采煤層2號(hào)、3號(hào)煤層均為突出煤層，選擇弱突出性2號(hào)煤層作為主采嚴(yán)重突出煤層3號(hào)煤層的上保護(hù)層進(jìn)行開采。在2號(hào)煤層保護(hù)層開采過程中工作面絕對(duì)瓦斯涌出量經(jīng)常超限，經(jīng)分析當(dāng)2號(hào)煤層先行3號(hào)煤層開采時(shí)，底板卸壓導(dǎo)致裂隙發(fā)育，引起3號(hào)煤層瓦斯的大量卸壓逸散，工作面瓦斯主要來源為3號(hào)煤層卸壓瓦斯涌至2號(hào)煤采空區(qū)。因此，解決3號(hào)煤層卸壓瓦斯涌出問題是工作面瓦斯治理的重點(diǎn)工作。

2.2 定向長鉆孔方案設(shè)計(jì)

通過在2號(hào)煤保護(hù)層21218工作面實(shí)施2號(hào)煤層低位定向卸壓長鉆孔抽采瓦斯，可以有效抽采被保護(hù)層3號(hào)煤層上部瓦斯。2號(hào)煤層開采之后，上部巖體出現(xiàn)垮落帶和裂隙帶，大量卸壓瓦斯將會(huì)先向上升浮，并且儲(chǔ)集在裂隙帶和冒落帶內(nèi)，形成了一個(gè)瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域。而在裂隙帶內(nèi)的瓦斯流動(dòng)較冒落帶內(nèi)瓦斯更難，這使得單純依靠通風(fēng)等風(fēng)流移動(dòng)排除裂隙帶內(nèi)的瓦斯，存在困難，瓦斯不能被及時(shí)排除，因此依靠低位定向卸壓長鉆孔，并采用負(fù)壓抽放，能有效抽采被保護(hù)層3號(hào)煤層上部的瓦斯，提高卸壓瓦斯抽采效果，從而達(dá)到源頭上治理瓦斯，確保采面安全生產(chǎn)的目的。

3 定向鉆進(jìn)工藝與施工

3.1 定向鉆進(jìn)原理

定向鉆進(jìn)是采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法，其本質(zhì)是定向鉆進(jìn)采用人為控制技術(shù)方法將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。在空間中，鉆孔特征通常是用一條線來描述，這條線代表鉆孔軸線，是鉆孔軸線的軌跡線。其空間形態(tài)可以用軸線上的參數(shù)來表述：鉆孔軸線上各點(diǎn)的傾角、孔深、水平位移、左右偏差以及曲線段的曲率或彎曲強(qiáng)度等[7-10]。定向長鉆孔瓦斯抽采是目前瓦斯治理的主要手段之一，與普通鉆孔相比，有鉆孔軌跡精確可控、成孔性好、鉆孔深度大、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯大范圍遠(yuǎn)距離高效抽采的目的，同時(shí)兼顧遠(yuǎn)距離探頂、探底、探構(gòu)造、探放水等多種功能，在我國眾多的高瓦斯、突出煤礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用，取得了較好的瓦斯抽采和治理效果[11-12]。與普通鉆機(jī)相比，其具有鉆孔軌跡精確可控、成孔性好、鉆孔深度大、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 定向長鉆孔施工

針對(duì)21218采煤工作面下部3號(hào)煤層卸壓瓦斯涌出引起2號(hào)煤層瓦斯超限問題，本次施工共設(shè)計(jì)定向鉆孔3個(gè)，單孔孔深為400 m。定向鉆孔目標(biāo)層位要求水平段距離21218采煤工作面進(jìn)順分別為10 m、25 m、55 m，與被保護(hù)層3號(hào)煤層頂板距離分別是8 m、6 m、4 m，定向鉆孔平面圖、剖面圖如圖1、2所示。定向長鉆孔實(shí)鉆施工參數(shù)表見表1。其中新1號(hào)孔鉆進(jìn)時(shí)與21218進(jìn)順常規(guī)底板鉆孔發(fā)生裂隙導(dǎo)通出水現(xiàn)象，考慮到對(duì)后期抽采效果的影響和為避免將施工用鉆頭鉆桿及測量裝置掉落在孔內(nèi)，遂停鉆。

圖1 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平面Fig.1 Plan view of directional borehole trajectory

圖2 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面Fig.2 Profile of directional borehole trajectory

表1 定向長鉆孔實(shí)鉆施工參數(shù)

3.3 瓦斯抽采效果考察

施鉆完成后75 d的瓦斯抽采濃度曲線如圖3所示。可見，常規(guī)鉆孔工藝在抽采期間瓦斯抽采濃度為2.3%～17.7%，平均8.70%；2號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采濃度為0.35%～95.01%，平均為40.82%；3號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采濃度為0.12%～99.80%，平均為48.11%，定向長鉆孔瓦斯抽采濃度為常規(guī)鉆孔的4.69～5.53倍。

圖3 瓦斯抽采濃度曲線Fig.3 Gas extraction concentration curve

瓦斯抽采純量對(duì)比曲線如圖4所示。常規(guī)鉆孔工藝在抽采期間瓦斯抽采純量平均為0.97 m3/min，平均日瓦斯抽采純量為1 288.24 m3/d；2號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量為0～2.98 m3/min，平均1.31 m3/min，平均日瓦斯抽采純量為1 886.4 m3/d；3號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量為0.01～9.41 m3/min，平均2.49 m3/min，平均日瓦斯抽采純量為3 585.6 m3/d。定向長鉆孔瓦斯抽采純量為常規(guī)鉆孔的1.35～2.57倍。

圖4 瓦斯抽采純量對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of net amount of gas extraction

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)定向鉆孔與常規(guī)鉆孔抽采效果進(jìn)行對(duì)比表明，隨著抽采時(shí)間的增加，常規(guī)鉆孔抽采效果有衰減的趨勢，定向鉆孔整體抽采效果趨勢比較穩(wěn)定，定向鉆孔抽采效果優(yōu)于常規(guī)鉆孔工藝，其單日瓦斯抽采純量為常規(guī)鉆孔的1.35～2.57倍。

(2)考察不同層位鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析可知，2號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度平均為40.82%，瓦斯抽采純量平均為1.31 m3/min；3號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度平均為48.11%，瓦斯抽采純量平均2.49 m3/min；可得出3號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度為2號(hào)鉆孔的1.18倍，瓦斯抽采純量為2號(hào)鉆孔的1.9倍。因此，3號(hào)鉆孔層位的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于2號(hào)鉆孔。

(3)通過保護(hù)層水平長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)在保護(hù)層21218回采工作面的瓦斯治理中的試驗(yàn)結(jié)果表明，相比常規(guī)底板卸壓鉆孔抽采方式，定向水平長鉆孔的抽采效果明顯，對(duì)采面瓦斯治理的效果更好，為礦井保護(hù)層開采工作面卸壓瓦斯治理問題提供了有效的解決途徑。