底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性_李宏.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400037, China; 3. Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048006, China Abstract Drainage technology of translayer borehole in floor roadway and directional long hole are the most im- portant gas control measures in high gas and outburst-prone mining face at present. The coal seam in Zhaozhuang mine has the characteristics of being soft and low gas permeability. It is difficult to drill and holes in a coal seam. For gas control, the major is to drill a translayer borehole to eliminate gas outburst, supplemented by in-seam gas drainage boreholes. However, there are shortcomings such as large engineering volume, long construc- tion period and high cost of drilling in floor rock roadway. The directional long borehole has technical defects such as uneven drainage and insufficient coverage. In order to compare and investigate the drainage effects of the long borehole and the borehole in the floor rock roadway, the drainage effect of two gas control s in mining face 1307 was investigated. The results show that under the same mining conditions and coal body range, the total amount of gas extraction by five comb-shaped long boreholes accounted for 75.4 of the total gas drainage of the translayer boreholes through the floor, while the economic of the comb-shaped long boreholes accounted for only 29.2 of the translayer boreholes in the floor. In the case that the extraction effect is basically the same, the comprehensive economic benefit of the comb-shaped long hole is higher. From this it is concluded that the gas drainage technology of the comb-shaped long boreholes to replace the translayer boreholes is feasible. The study provides a practical reference for the technical feasibility of substitution of the translayer boreholes with ChaoXing 第 6 期 李宏等 底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性 33 comb-shaped boreholes, a more economical and feasible treatment scheme for the gas control in gas outburst-prone coal mines with soft and low permeability coal. Keywords translayer borehole; comb-shaped long borehole; floor rock roadway; branch borehole; economic benefits; Zhaozhuang coal mine; south of Qinshui basin 高瓦斯或突出矿井进行巷道开拓或煤炭回采之 前均需采取区域和局部瓦斯抽采措施，以消除采掘 影响区煤体的突出危险性，避免巷道掘进或工作面 回采过程中发生煤与瓦斯突出或瓦斯超限事故[1-2]。 目前，我国对区域瓦斯治理措施主要采用以煤层群 开采条件下的保护层卸压开采或单一煤层开采条件 下的预抽煤层瓦斯方法[3-4]。采用预抽煤层瓦斯时， 针对钻孔布置方式不同，又可分为顺层钻孔和穿层 钻孔 2 种方式预抽煤层瓦斯[5-6]。对于“三软”煤层的 高瓦斯或突出矿井，为提高瓦斯抽采效率及缩短瓦 斯治理时间，普遍在开采煤层下部施工底板岩巷借 以施工穿层钻孔预抽开采煤层瓦斯的方法[7-10]。姚 宁平[11]针对赵庄矿煤层松软低透气性特征，对底板 梳状钻孔的施工工艺、抽采效果进行考察，研究底 板梳状钻孔替代底抽巷模式的技术可行性，并对底 板梳状钻孔的技术优势进行了分析考察；方俊[12]对 梳状钻孔施工中的地质构造探测，精准施工等技术 进行了讨论，指出梳状钻孔在瓦斯抽采和防治水工 程中具有重要作用；冯达晖[13]提出了梳状钻孔分段 压裂可有效解决松软煤层透气性差、瓦斯抽采钻孔 成孔率低和抽采效果差等难题。姚宁平等[14]通过分 析梳状钻孔的合理布孔方式及高精度控制钻孔轨迹 技术，认为开分支孔是梳状钻孔成孔率高的技术保 障；王建强等[15]提出了梳状钻孔交叉型分支孔的布 孔方法，确定了最优的梳状钻孔设计参数。前人对 梳状钻孔的参数设计和施工技术等方面均进行了较 为详细的研究，却未对底板梳状钻孔抽采效果进行 量化，也未对梳状钻孔与底板岩巷穿层钻孔的抽采 效果进行对比考察。 赵庄矿为典型的“三软”煤层， 具有煤层埋藏深 度大、瓦斯含量高、煤质松软破碎、透气性低及衰 减系数大等特点， 本煤层成孔难度大、 无法施工大 于 100 m 的顺层钻孔，且因透气性差导致瓦斯抽 采效果不佳及煤层瓦斯流量衰减系数大导致钻孔 抽采时间短等诸多问题。为解决以上问题，该矿曾 开展了地面井压裂抽采、本煤层水力压裂及 CO2 相变等增透措施、 本煤层全程下筛管等保障钻孔成 孔措施，瓦斯治理均未取得明显成效。 在借鉴国内 外其他类似开采条件下矿井瓦斯治理经验的基础 上，研究区实施了底板岩巷穿层钻孔抽采技术，但 仍存在经济成本高， 工程周期长及制约矿井抽–掘– 采衔接的巨大风险。鉴于此， 笔者提出采用底板岩 巷穿层梳状长钻孔替代底板岩巷穿层钻孔抽采的 方案，并在该矿 1307 采面进行了试验，以验证其 技术可行性。 1 研究区概况 1.1 瓦斯地质概况 赵庄矿位于沁水盆地东南部，为高瓦斯矿井， 井田面积 112.3 km2。主要可采煤层为 3 号、15 号煤 层，目前开采的 3 号煤层位于二叠系下统山西组， 赋存较稳定，埋藏深度 750 m，平均煤厚 4.7 m，采 用一次采全高采煤方法。矿井最大绝对瓦斯涌出量 193 m3/min， 配备 2 个地面永久抽采泵站， 总装机能 力6 900 m3/min。目前，矿井日抽采纯量约139 m3/min， 矿井抽采率 63，其中，高负压系统瓦斯抽采纯量 87.2 m3/min， 低负压系统瓦斯抽采纯量 51.8 m3/min。 矿井瓦斯基础参数见表 1。 表 1 晋城赵庄矿瓦斯基础参数表 Table 1 Basic parameters of gas in Zhaozhuang mine of Jincheng 原始瓦斯 含量/m3t–1 原始瓦斯压 力/MPa 煤层平均坚 固性系数 瓦斯放散初 速度 ΔP 透气性系数/ m2MPa2d–1 百米钻孔初始 流量/m3min–1hm–1 钻孔瓦斯流量 衰减系数/d–1 4.520.0 0.381.52 0.30.8 14.332.0 0.011 60.052 0 0.060 50.085 1 0.110 10.466 0 1.2 梳状长钻孔试验方案 在赵庄矿掘进工作面时，主要采用顺槽底板岩 巷穿层钻孔预抽采措施，提前 1 a 左右对煤巷进行 穿层钻孔预抽采，实现对煤巷掩护掘进。回采工作 面主要采用中部底板岩巷施工的穿层钻孔对工作面 中部 120 m 范围煤层进行覆盖抽采，同时在工作面 两侧煤巷内施工短距离顺层钻孔，对工作面剩余的 100 m 两侧各 50 m煤体进行抽采，实现对工作面 抽采钻孔全覆盖，该矿工作面一直采用的底抽巷及 穿层钻孔布置方式如图 1 所示。 1307 工作面走向长 1 500 m切眼至停采线， 倾向长 220 m，煤层总厚度 5.73 m，采用两进一 回通风系统，煤层原始瓦斯含量 1017 m3/t。为实 现工作面瓦斯抽采达标， 在工作面回采前 2 a 即完 ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 1 赵庄矿区域瓦斯治理示意图 Fig.1 Schematic diagram of gas control measures in Zhaozhuang Mine 成了顺槽底板岩巷的工程施工，实现对工作面的 超前预抽采。中部底板岩巷从顺槽底板岩巷 4 号 横川位置开口，并沿煤层走向施工至工作面切眼， 与工作面呈外错布置图 2。中部底板岩巷的始端 区块 A 和区块 B 的交界位置施工底板穿层梳状 长钻孔，实现对工作面停采线至底板岩巷始端之 间煤体的瓦斯抽采。 为考察底板穿层梳状长钻孔替代底板岩巷穿层 钻孔抽采的技术可行性，特对该采面设置了 2 个瓦 斯抽采试验区块。区块 A 的 320 m 范围采用顺层钻 孔底板穿层梳状长钻孔的瓦斯抽采方法，区块 B 的 320 m 范围煤体采用顺层钻孔底板普通穿层钻 孔的瓦斯抽采方法图 2， 在其他影响因素相同情况 下，对比考察底板穿层梳状长钻孔和底抽巷穿层钻 孔的抽采效果。 2 底板梳状长钻孔工程设计及施工 2.1 工程设计 梳状长钻孔开孔高度在底抽巷底板上方 2 m， 主孔位于 3 号煤底板以下 3 m 左右，平缓钻进，保 持主孔和煤层底板走向趋势基本一致， 每 30 m 向煤 层中开一个分支孔。 为避免孔内积水影响后期抽采， 钻孔不宜出现较大的负角度施工。底板梳状长钻孔 工程设计如图 3 所示。 图 2 晋城赵庄矿 1307 工作面瓦斯治理措施 Fig.2 Gas control measures in mining face 1307 in Zhaozhuang mine of Jincheng 图 3 底板梳状长钻孔抽采示意图 Fig.3 Schematic diagram of gas drainage of comb-shaped long boreholes in seam floor ChaoXing 第 6 期 李宏等 底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性 35 为实现对工作面中部底抽巷始端至停采线范围内 煤体的全覆盖，设计施工 5 个梳状长钻孔，钻孔主孔 长度除应考虑区块 A 长度 320 m 范围，还应考虑停采 线范围以外的煤体消突，以减少工作面末采期间保护 煤柱瓦斯涌出的可能，钻孔主孔设计长度 339348 m， 每隔 3040 m 施工分支孔，钻孔设计参数如表 2 所示。 表 2 梳状长钻孔设计参数 Table 2 Design parameters of comb-shaped long boreholes 钻孔号 距岩巷底板 距离/m 倾角/ 方位角/ 目标方位/ 主孔深度/ m 分支孔 数/个 穿煤段总 长度/m 钻孔总 长度/m 煤岩比/ 1号 2 10 335 5 348 6 42 657 6.4 2号 2 10 345 5 342 5 38 582 6.5 3号 2 10 365 5 339 5 26 523 4.9 4号 2 10 385 5 342 5 36 556 6.4 5号 2 10 385 5 348 5 38 585 6.5 2.2 工程施工 a. 钻孔开孔与定向钻机准备阶段 根据定向钻孔开孔倾角、方位角等设计参数稳固 钻机，首先采用回转钻进工艺开孔，开孔深度不小于 17 m。其中钻具组合为 Φ120/165 mm 钻头Φ89 mm 钻杆。钻孔封孔采用 Φ160 mm PVC或 PE封孔管，封 孔长度不低于 15 m，采用专用封孔水泥注浆，孔口用 水泥砂浆封堵不少于 200 mm。钻孔施工前必须安装孔 口管、联接孔口气液分离器，防止孔内瓦斯喷出造成 超限，同时将打钻水通过汇流水箱导入临时小水仓内。 b. 定向钻进阶段 定向钻进采用煤矿用履带式全液压定向钻机， 钻具采用 Φ120 mm 钻头Φ89 mm 无磁螺杆马达 1.25Φ89 mm 上/下无磁钻杆89 mm 通缆钻杆。 钻孔钻进参数严格按照操作规程及钻孔设计进行 钻机主要技术参数见表 3。 c. 联孔抽采 钻孔施工完毕后， 孔内用 Φ110 mm 钢套管进行 全长封孔，孔口注浆段下 Φ160 mmPVC 管，经过 Φ160 mm 三通及 Φ160 mm 蛇形管接入 160 mm 抽 采管集气口进行抽采。鉴于文章篇幅所限，仅列出 了 1 号和 3 号钻孔的施工轨迹，如图 4 所示。 表 3 钻机基本参数 Table 3 Basic parameters of the rig 类别 名称 参数 额定转矩/Nm 3 00015 000 额定转速/rmin-1 50150 额定压力/MPa 30 额定流量/Lmin-1 300 回转器 主轴制动转矩/Nm 2 000 主轴倾角/ –1020 最大给进起拔力/kN 280 给进/起拔行程/mm 1 200 额定压力/MPa 24 给进 装置 额定流量/Lmin-1 60 额定功率/kW 132 电动机 额定转速/rmin-1 1 485 图 4 1 号和 3 号钻孔轨迹 Fig.4 Trajectory chart of No.1 and No.3 boreholes ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 47 卷 3 效果分析 3.1 抽采效果 为了考察钻孔抽采效果，5 个梳状长钻孔均安 装自动测量装置，同时在每个钻孔均安设人工测量 口，使用便携式多功能瓦斯抽采参数仪每 7 d 对钻 孔瓦斯抽采参数进行检测。2017 年 1 月2018 年 4 月，对 5 个底板穿层梳状长钻孔抽采效果进行跟踪 考察，各钻孔的瓦斯抽采情况如表 4 所示。 表 4 梳状钻孔瓦斯抽采情况统计 Table 4 Statistics of gas extraction in comb-shaped borehole 钻孔 号 最大瓦斯 体积分数/ 最大瓦斯 抽采纯量/ m3min-1 瓦斯抽采 总量/万 m3 稳定抽 采时间/d 1号 84.6 10.60 45.86 355 2号 82.7 4.15 43.67 350 3号 78.3 2.20 28.73 351 4号 72.4 5.16 32.68 342 5号 75.8 9.64 40.17 338 选择13号钻孔的抽采量变化曲线进行分析， 如图 5 所示。从图中可以看出，1 号钻孔最大瓦斯 纯流量达到 9.51 m3/min，最大瓦斯体积分数达到 84.6，2 号和 3 号钻孔瓦斯抽采效果相对较低， 但在抽采的初始阶段仍保持较高水平。2 号钻孔的 瓦斯体积分数保持在 80左右， 瓦斯抽采纯流量保 持在 4.15 m3/min， 3 号钻孔瓦斯抽采纯流量保持在 2.2 m3/min，瓦斯体积分数保持在 78。 较其他钻孔相比，1 号钻孔抽采效果最好表 4 和图 5，其可能原因，一方面是钻孔长度达到了 348 m， 施工的多分支钻孔与工作面顺层钻孔存在交 叉贯通，在抽采裂隙相互影响下，提高了钻孔的抽 采效果；另一因素是该钻孔抽采时间相对最长，瓦 斯体积分数达到 84.6，而 5 号钻孔长度与 1 号相 当，但抽采稳定时间减少了 17 d。3 号钻孔抽采效 果相对较差，其可能原因是钻孔相对最短，与顺层 钻孔交叉贯通的机率降低。 3.2 经济效果 从施工成本分析，工作面末采的 320 m 范围如 果施工中部底板岩巷及穿层钻孔，施工成本将大幅 度增加，但抽采效果与未施工中部底板岩巷而只 施工底板梳状长钻孔相比，抽采量并无明显增加 表 5。为考察所采用的底板穿层梳状长钻孔掩护 320 m 范围图 2 中的区块 A煤体瓦斯的预抽效果， 选取采面中部底板岩巷起始端的 320 m 范围图 2 中 的区块 B作为对比考察对象，从抽采效果和经济成 本等方面进行针对性考察。 由于 A 和 B 两个区块施 工的顺层钻孔个数和抽采总量基本相同，故忽略两 区块范围内施工顺层钻孔的抽采效果，仅对区块 A 施工的底板穿层梳状长钻孔和区块 B 施工的采面中 部底板岩巷及穿层钻孔抽采效果进行对比，结果如 表 5 所示。 图 5 13 号钻孔抽采效果变化曲线 Fig.5 Extraction effect curve of No.1, No.2 and No.3 boreholes 从表 5 可知，在相同的抽采范围、抽采时间和 瓦斯储量条件下，底板梳状长钻孔的抽采量为底板 岩巷抽采量的 75.4，抽采率基本持平，区域效果 检验实测的瓦斯含量差别不大，两种瓦斯抽采方式 均实现达标。但从经济总成本来看，底板梳状长钻 孔仅为底板岩巷穿层钻孔抽采措施的 29.2，梳状 长钻孔的综合经济效益具有明显优势。 3.3 可行性分析 从底板梳状长钻孔与底板岩巷穿层钻孔的抽采 效果及经济效益分析，证明底板梳状长钻孔替代底 ChaoXing 第 6 期 李宏等 底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性 37 表 5 赵庄矿 1307 工作面 320 m 范围不同抽采措施效果对比 Table 5 Comparison of the results of different drainage measures at 320 m of working face 1307 of Zhaozhuang coal mine 区块 施工措施 钻孔类型 及数量 钻孔总进 尺/万 m 抽采瓦斯总 量/万 m3 抽采前瓦斯 资源量/万 m3 原始瓦斯含 量/m3t-1 残余瓦斯含 量/m3t-1 抽采 率/ 总经济 成本/万元 A 底板梳状长钻孔掩护320 m 定向长钻孔5个 0.29 191.1 10.5 7.86 25.1 92.8 B 采面中部底抽岩巷掩护320 m 普通穿层钻孔770个 1.54 253.4 1 415 11.6 7.53 28.6 317.6 注普通穿层孔平均综合单价 40 元/m，梳状长钻孔平均综合单价 320 元/m，岩巷平均综合单价 0.8 万元/m。 板岩巷穿层钻孔的技术可行。但必须认识到，底 板梳状长钻孔与底板岩巷穿层钻孔施工的难度和 技术要求。底板梳状长钻孔相对于底板岩巷穿层 钻孔而言，在钻孔轨迹的精准定位、分支孔的开 设、定向长钻孔施工的难易程度及钻孔成孔的维 护等技术方面均较后者要求更高，也是影响底板 梳状长钻孔抽采效果的关键因素。为实现底板梳 状长钻孔替代底板岩巷穿层钻孔，在施工底板梳 状孔时，应着重做好以下工作①加强煤层顶底 板岩层岩性探测；②提高钻孔施工轨迹的导向精 度控制和校核；③保证钻孔主孔和分支孔纵向和 横向长度；④保障钻孔成孔质量及抽采期间的钻 孔维护和管理。 4 结 论 a．．在抽采条件和抽采范围相同条件下，5 个底 板梳状长钻孔的瓦斯抽采总量占到底板穿层钻孔瓦 斯抽采总量的 75.4，而前者的经济投入仅占后者 的 29.2，底板梳状长钻孔的综合经济效益更高。 b．．底板梳状长钻孔主孔达到 340 m 以上， 每隔 3040 m 施工分支孔，实现对 320 m 中部底板岩巷 穿层钻孔未覆盖区域的全覆盖抽采。底板梳状长钻 孔瓦斯抽采初始瓦斯体积分数达到 80以上，瓦斯 纯量达到 2.64.4 m3/min，稳定抽采时间达到 330 d 以上。底板梳状长钻孔的瓦斯高效抽采为替代穿层 钻孔抽采提供了保障。 c．． 底板梳状长钻孔可有效提高工作面的瓦斯抽 采效果，降低瓦斯治理经济投入。实践证明，采用 梳状长钻孔定向抽采，可实现其替代底板岩巷穿层 钻孔的技术要求，但梳状钻孔在特定煤储层的技术 适用性、抽采时效的差异性及抽采参数的最佳匹配 关系仍是后续需加强研究的问题和方向。 参考文献 [1] 袁亮，刘泽功. 淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究[J]. 煤炭学报，2003，282149–152． 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