大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析.pdf

中国煤炭行业知识服务平台 推荐阅读推荐阅读 综采工作面上隅角瓦斯流动活跃区形成机理研究 高瓦斯突出煤层综采工作面注水降尘技术应用研究 超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究 风速对近距离煤层采空区漏风及煤自燃影响研究 深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术研究 巷道火灾时期流场及瓦斯浓度变化规律数值模拟研究 高突低渗透煤层超高压水力割缝卸压增透研究 高瓦斯综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究 寺河井田煤层气产能分布特征及影响因素分析 我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展 基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究 松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势 综采工作面煤层注水防尘优化及效果研究 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 高瓦斯矿井高抽巷合理布置及终巷位置确定研究 原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究 不同孔间距抽采孔对深孔预裂爆破增透效果影响研究 顺层瓦斯抽采钻孔封隔一体化封孔工艺研究 煤层瓦斯赋存特征及其关键地质因素影响研究 第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 李 宏马金魁.大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析.煤炭科学技术 / . . / 大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 李 宏马金魁 .河南理工大学 安全科学与工程学院河南 焦作 .山西晋煤集团有限责任公司山西 晋城 .煤矿安全技术国家重点实验室 煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁 抚顺 摘 要为进一步提高采空区裂隙带瓦斯抽采效果以保障工作面回采期间安全提出了一种大直径顶 板定向长钻孔 进行采动区裂隙带瓦斯定向抽采技术并对其施工工艺、钻孔布置合理层位 及抽采效果进行了研究 结果表明钻孔布置的合理垂直高度 钻孔与工作面回风侧的水平 间距 与高抽岩巷、普通顶板高位钻孔等常规采动区瓦斯治理方法相比大直径顶板定向长钻 孔的抽采量与高抽岩巷相当是普通顶板高位孔抽采量的 . 倍工程量大幅度降低大直径顶板定 向长钻孔既能实现高效率抽采又达到节约工程量、降低施工成本等效果 大直径顶板定向长钻孔的 成功应用为以孔代巷及传统顶板高位孔工艺的改进提供了实践基础和发展方向 关键词大直径顶板定向长钻孔高抽岩巷瓦斯抽采裂隙带瓦斯富集区 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . 收稿日期责任编辑王晓珍 基金项目国家自然科学基金资助项目河南省高校基本科研业务费专项资金资助项目 作者简介李 宏男河南信阳人博士研究生 . . . . . . . 引 言 由于工作面回采后破坏了煤岩层的原始应力状 态会在上覆岩层内产生不同规则的裂隙含煤构造 环境、顶板岩性、开采煤层厚度及开掘活动影响程度 等因素的不同形成的裂隙区域范围有较大的差 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 李 宏等大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 年第 期 异 为了有效解决回采期间采动区瓦斯异常涌 出导致的瓦斯事故普遍做法是使用顶板走向倾 向钻孔、高抽岩巷、采动区埋管等措施对采动区瓦 斯进行定向抽采文献对定向钻机在可施 工大直径顶板高位定向钻孔的关键技术和装备进行 了阐述和研究泥浆脉冲无线随钻测量系统、螺旋型 扩孔钻头等自动化和智能化钻进技术和装备 为顶板定向长钻孔的技术奠定了基础文献 对顶板定向长钻孔定向抽采回采工作面采动区瓦斯 富集区瓦斯进行了应用考察认为顶板高位孔参数 的优化对抽采效果至关重要 虽有较多学者认可顶板高位钻孔是解决 顶板裂隙带富集区瓦斯最有效的手段之一但研究 的内容多数是围绕普通顶板高位钻孔、主孔长度小 于 或直径在 以下的定向钻孔 如刘 秀保等研究了采动区裂隙带的抽采钻孔孔径 、孔深 年军等研究的采空区顶板 定向长钻孔长度也仅为 王鲜等研究 的顶板定向长钻孔的长度达到 但孔径也仍 为 对直径超过 、长度超过 的顶板定向长钻孔的施工工艺还未见相关文献报 道 其 抽 采 效 果 和 发 展 潜 力 还 缺 乏 相 应 的 研究 基于此笔者针对性地提出了长度超过 的大直径 顶板定向长钻孔抽采技术并 结合高位钻场施工考察了大直径顶板定向长钻孔 在抽采效果、工程量和经济投入等方面与常规瓦斯 抽采措施相比存在的技术优势以期为以孔代巷提 供实践参考为传统顶板高位钻孔工艺的技术突破 提供发展方向 大直径钻孔参数优化 . 垂直高度 为考察大采高工作面顶板裂隙带瓦斯富集区高 度采用离散元软件 对综采工作面采动区上 方的裂隙场的变形规律进行模拟选用与地下开采 相适应的库伦滑移节理模型进行 以赵庄矿 采面顶板覆岩地质构造情况为背景建立如图 所 示的数值模型模型长 、高 煤层采深 模型上边界施加自重应力左右两侧开采边 界分别距模型左右边界 在选取煤、岩体物理 力学参数时以煤层上覆岩体物理性质参数为依据 具体参数见表 模型左右两侧及底部均为法向位移约束即左 右边界限制水平方向位移而允许结点沿垂直方向 图 回采工作面模型 . 表 工作面上覆岩层的力学参数 岩性 密度/ 抗张 强度/ 抗压 强度/ 弹性 模量/ 内摩 擦角/ 石灰岩 .... 细砂岩 .... 中砂岩 .... 砂质泥岩 .... 号煤 .... 的位移底部边界限制垂直方向位移而允许水平方 向位移 模型的上部为载荷边界条件根据模型埋 深按自重应力计算上部边界作用力 垂直原岩应 力 为岩土层平均密度取 / 为模型上边界距地表的垂直距离 为重力加速 度取 . / 根据赵庄矿最大埋深 模型 的高度为 确定自重应力计算的上部边界作 用力为. 从开切眼位置 作为起点 距模 型边界 如图 所示沿工作面走向推进推进 速度 / 次分 次开掘共推进 具体的大 采高工作面上覆岩层移动规律模拟如图 所示 从图 可以看出上覆岩层垮距趋势是由下向 上逐渐减小 当工作面推进 时上覆岩层直接 顶只在开挖空间内暴露面积内垮落呈现不规则状 态 推进到 时靠近工作面开切眼和工作 面两侧位置岩石垮落明显其中 时上覆岩层呈 现三角形裂隙分布主要是由于岩层受到拉应力破 坏作用形成了垂直或斜交于岩层层面的横向和竖 向空间其中主要以竖向裂隙贯通为主 推进到 基本顶已被破坏呈现的三角形贯通空间使 得上覆岩层的三带区域明显 推进到 时裂隙 带呈现由下往上缓慢推移的现象而推进到 时在拉剪应力在横向和纵向上相互挤压破坏裂隙 带空间开始被压缩 依据模拟云图工作面推进到 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 前顶板已经垮落确定冒落带高度在 左 右推进至 位置时顶板覆岩的裂隙已发育到 最大 时顶板裂隙已出现基本顶来压而产生裂 隙破坏可以确定在 期间裂隙带已积聚大 量高浓度瓦斯 图 上覆岩体裂隙场演化及位移量云图 . 结合依据文献所列经验公式当 号煤层 顶板覆岩的抗压强度处于 时计算的垮 落带高度 . . . 为工作 面采高 依据裂隙带高度第 定律计算得出的 裂隙带高度 . . . . 依据裂 隙带高度第 定律计算得出的裂隙带高度 . 依据数值模拟的裂隙带 和经验公式计算的.. 得出的结论基本 相一致可以确定裂隙带处于 范围 . 水平宽度 依据王海东提出的理论顶板定向长钻孔的 终 孔 点 距 回 风 巷 水 平 距 离 / 公式计算式中 为抽采孔的终孔点与煤层的垂 直距离 为钻孔距“”型圈外边界的距离一 般条件下 取值范围为 为煤层倾角 为裂隙边界与开采边界的连线与煤层的夹 角 取 计算得出钻孔终孔点距回风巷的最远水平距离 为 . 大直径钻孔的设计与施工 . 工作面概况 赵庄矿为生产能力 万 / 的高瓦斯矿井 主采 号煤层煤层倾角 平均煤厚 . 煤层原始瓦斯压力和含量分别为 . 和 . / 透气性系数 .. / 属较 难抽采煤层 笔者所研究的 工作面可采长度 宽度 煤层埋深 采用一次采 全高采煤工艺“二进一回”通风方式图 . 钻孔设计 回采工作面施工了 个高位钻场钻场间 距 钻场设置在 巷和盘区进风巷之间 的联络巷内以 的仰角向上方施工倾斜巷道斜 巷长度 施工到 巷与 巷之间的 实体煤柱上方 在斜巷掘进工作面施工定向高 位钻孔钻孔长度 每个钻场内施工定向 钻孔 个定向钻孔水平段长度 钻孔布 置如图 所示 . 钻孔施工 主要施工工序有钻孔轨迹设计、开孔、钻进、退 钻探底并施工分支孔、扩孔及封孔等工序钻具组合 主要采用 钻头 无磁钻杆 通缆钻杆定向钻进、三次回转扩孔后成 孔径的终孔成孔期间结合随钻测量系统实时 测量钻孔轨迹倾角、方位角及螺杆马达工具面向角 等参数校正钻孔轨迹 钻孔施工完毕后的三阶段 扩孔第 阶段使用 钻头施工完钻孔采 用 扩孔钻杆配 导向扩孔钻头进行 第 次扩孔第 阶段采用 旋转钻杆配 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 李 宏等大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 年第 期 导向扩孔钻头进行第 次扩孔第 阶段 采用 旋转钻杆配 导向扩孔钻头进 行第 次扩孔 实际施工的钻孔轨迹如图 所示 自 年 月 日至 年 月 日共 施工了 个高位钻场累计施工进尺 累计 扩孔进尺 合计进尺 累计工期 各类因素影响 实际累计工期 平均施 工工效含扩孔. / 钻孔参数见表 图 回采工作面通风系统及钻孔布置 . 表 大直径顶板定向长钻孔施工参数 孔号钻孔类别孔深/ 孔径/ 与巷道水平 距离/ 终孔垂直 层位/ 工期/ 外在因素 影响的工期/ 实际工期/ 号 主孔.. 分支孔.. 号 主孔.. 分支孔.. 号 主孔.. 分支孔.. 号 主孔.. 分支孔.. 大直径顶板定向长钻孔效果分析 . 优势分析 大直径定向长钻孔的主要优势体现高抽钻 场内施工顶板高位钻孔可避免在开采层巷道施工导 致的开孔位置过低产生的钻孔弯曲度大、爬坡段长 及爬坡拐弯点塌孔、钻孔施工的精准度差、钻孔下套 管深度及钻孔有效抽采长度过短等问题 可小角 度施工至预定层位钻孔主孔、分支孔及下套管各工 序施工便捷、高效及精准化 抽采混量、负压影响 范围更大真正实现采空区抽采“大流量、低浓度、 高效率”的目标 大幅度缩减工作面回采期间瓦 斯治理的工程量和资金投入长距离掩护工作面安 全回采 适应高度机械化煤炭回采进度缓解矿 井抽掘采衔接失调及经济效益低下等问题 . 效果考察及参数验证 .. 瓦斯抽采效果考察 以 号联络巷施工的大直径顶板定向长钻孔为 例为准确考察顶板定向高位孔瓦斯抽采量随工作 面采掘进度的变化对高位钻场内的各个钻孔均安 设瓦斯抽采多参数自动监测仪并安装有人工测量 检测口各钻孔瓦斯浓度和标态下抽采纯量与工作 面采掘进度的变化关系曲线如图 和图 所示 号钻场施工的大直径顶板高位钻孔累计抽采 量 . 万 平均日抽采量 . 万 最高日抽 采量 . 万 单孔最高日抽采量 . 万 各 钻孔的抽采参数见表 从图 分析得出各钻孔 抽采主要分为 个抽采阶段阶段 为顶板走向钻 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 抽采参数变化曲线 . 图 抽采主管路内的瓦斯抽采曲线 . 孔缓慢增长阶段此阶段顶板覆岩由原岩应力状态 转化为裂隙发展演化阶段横向离层裂隙与纵向破 断裂隙逐渐形成并相互导通冒落带形成并向裂隙 带发展透气性缓慢增大 阶段 为稳定抽采阶 段可以看出钻孔的抽采浓度和抽采量达到最大并 保持稳定钻孔在裂隙带内高效抽采采空区瓦斯 阶段 为快速衰减阶段在工作面推进至距钻场约 时各钻孔的抽采浓度和抽采量在出现小幅度 增长后在 位置左右均出现明显衰减衰减速 度较快 表 大直径顶板定向长钻孔抽采效果 钻 孔 号 抽采 时间/ 体积分数/ 标况混流量/ 日抽采量/ 平均最高平均最高平均最高 .... . . .... . . ..... . .... . . 从图 可以看出在抽采初期钻孔浓度和纯流 量均较小这与大直径顶板高位钻孔的抽采规律一 致 当工作面煤体未回采至高位钻孔所在的影响范 围时煤岩体仍保持原岩应力状态裂隙未发育此 时所呈现的抽采浓度和抽采混量均较低 工作面采 动影响表现的特征是抽采瓦斯浓度和抽采纯量随 工作面逐渐向钻孔终端距离缩短高位钻孔受采动 影响揭露与裂隙连通性增强在工作面推进至距钻 场 位置瓦斯抽采浓度和抽采量显著提升此 时汇流主管的瓦斯体积分数保持在 以上主管 抽采纯量达到 / 以上 在回采推进稳定抽 采阶段 钻场抽采主管的最大抽采纯流量达到 . / 日抽采纯量最高达到 . 万 / 持 续稳定在 . 万. 万 / 的时间达到 占整个钻场抽采服务时间的 .稳定阶段抽采 量合计达到 . 万 占到总抽采量的 . .. 参数验证 依据表 的施工参数及表 的抽采量情况 号钻孔长度最长分支孔最多抽采服务最长抽采 浓度和抽采纯量也最多 号和 号孔次之 号孔 抽采量相对其他孔较低 最不理想的 号孔分析 认为是钻孔位于弯曲下沉带仅抽采其横向离层裂 隙中的瓦斯 号孔相对 号和 号孔抽采效果差 的原因应该是其处于冒落带范围 结合理论计算和 现场观测结果大直径顶板定向长钻孔的最佳垂直 层位为距开采煤层上方 最佳水平层位为 距回风巷 . 效果对比 为考察大直径顶板定向长钻孔与高抽岩巷、普 通顶板高位钻孔的抽采效果选择与 回采工作 面相邻、瓦斯赋存、地质条件和巷道布置方式均相同 的 回采工作面和 回采工作面进行对比考 察抽采效果见表 大直径顶板定向长钻孔与高抽岩巷相比瓦斯 治理工程量少而抽采总量却占到高抽岩巷的 .前者既可节约施工成本、又可达到与高抽 岩巷基本相同的抽采效果 与普通顶板高位钻孔相 比抽采总量更是普通顶板高位钻孔的 . 倍 结 论 利用 离散元软件模拟了煤层顶板覆 岩的变化规律确定了采动区裂隙带高度范围 通 过数值模拟、理论计算及现场考察等验证方法确 定裂隙带高度 范围 大直径顶板定向长 钻孔与采面回风巷的水平间距 抽采效果 最佳 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 李 宏等大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 年第 期 表 不同瓦斯治理措施效果对比 抽采 措施 钻场汇流管 抽采纯流量/ 钻场汇流管 日抽采纯量/ 万 钻场汇流管 抽采体积 分数/ 采面回采期 间总抽采量/ 万 上隅角瓦 斯体积 分数/ 抽采率/ 工作面风 排瓦斯量/ 钻场/ 个 采面 高抽岩巷 ... ..... 采面大直 径顶板定向 高位钻孔 ........ 采面普通顶 板高位钻孔 ........ 注 回采工作面高抽岩巷数据为巷口封闭埋管抽采检测数据 回采工作面大直径顶板定向长钻孔为 个钻场汇流管检测数据 回采工作面普通顶板高位钻孔为 个钻场汇流主管检测数据普通顶板高位钻孔以 钻场间距每个钻场 个孔单孔长度 回采工作面 走向长度 介绍了大直径顶板定向长钻孔的施工工艺 分析了其技术优势在抽采效果、工程费用等方面与 高抽岩巷、普通顶板高位钻孔进行了对比考察确定 了大直径顶板定向长钻孔的技术优势和应用前景 大直径顶板定向长钻孔在有效保障高效抽 采裂隙带采空区瓦斯的同时工作面安全高效回采 得到有力保障施工费用大幅度降低 实践证明采 用 的大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩 巷的技术可行有较好的应用前景 参考文献 李宗翔王继仁周西华. 采空区开区移动瓦斯抽放的数值模 拟. 中国矿业大学学报. . . . 郝天轩张海波邵 阳. 非等值冒落采空区“三带”考察及其 模拟验证.中国安全科学学报. . . . 蔡文鹏刘 健孙东生等. 顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术 的研究及应用.中国安全生产科学技术 . . . . . . . 石智军姚 克田宏亮等.煤矿井下随钻测量定向钻进技术 与装备现状及展望.煤炭科学技术. . . . 石智军许 超李泉新等. 煤矿井下 顺煤层超深定 向孔高效成孔关键技术. 煤炭科学技术 . . . . 方 俊谷拴成石智军等. 煤矿井下近水平钻孔大直径套管 长距离下放技术.煤炭科学技术. . . . 王建强张 杰. 煤矿井下定向深孔大孔径套铣打捞技术及工 艺参数. 煤炭科学技术. . . . 石浩. 大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用分析 . 煤炭科学技术. . . . 郝光生陈 宾申 凯. 采空区顶板高位定向钻孔差异化布 置与抽采效 果分 析 . 煤 炭 科 学 技 术 . . . . 李彦明. 基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究. 煤 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 炭科学技术. . . . . . . . . . . . . 郝天轩李 锋.采动岩体破裂数值模拟机高位钻场参数优化 .安全与环境学报. . . . 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