长距离定向钻孔瓦斯抽采技术在青龙煤矿的应用

2020-02-29薛海腾李希建梁道富陈刘瑜马晟翔

工矿自动化 2020年2期

薛海腾，李希建，梁道富，陈刘瑜，马晟翔

(1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025； 2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州贵阳 550025； 3.贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州贵阳 550025； 4.贵州黔西能源开发有限公司，贵州黔西 551507)

0 引言

瓦斯事故是矿山的主要灾害之一。随着煤炭行业的发展，矿井开采深度越来越深，瓦斯含量和涌出量也随之增大，瓦斯治理比较困难[1]。瓦斯抽采是治理煤与瓦斯突出的常用措施[2]。近年来，国内外学者针对瓦斯治理做了大量研究工作。如美国研究者提出用地面钻孔水力压裂法开采煤层气，通过地面钻孔抽采采空区瓦斯，以及在井下巷道沿煤层打水平长钻孔抽采等技术[3-4]。我国煤矿瓦斯抽采大致经历了高透气性煤层瓦斯抽采阶段、邻近层卸压瓦斯抽采阶段、低透气性煤层强化瓦斯抽采阶段和综合瓦斯抽采阶段[5-6]，主要采用井上钻井抽采与井下钻孔抽采相结合的技术进行煤矿区域瓦斯治理，降低煤层瓦斯突出危险[7]。但是传统的瓦斯抽采方法工程量较大且只适用于地质条件较好、煤层透气性好、瓦斯较容易释放的矿井。对于地质条件较差、瓦斯含量较高、煤质较松软、透气性差、游离态和吸附态瓦斯不易释放的煤矿，瓦斯治理尤为困难。针对该问题，以地质条件差、瓦斯含量高且煤层松软的兖矿贵州能化有限公司青龙煤矿为例，采用千米钻机顺层条带定向钻孔瓦斯抽采技术进行瓦斯治理，取得了较好的治理效果，对类似矿井有推广意义。

1 矿井概述

1.1 基本情况

青龙煤矿井田面积为20.650 3 km2，截至2015-12-31，保有资源储量为27 770.8万t。矿井采用一组斜井进行开拓，即主斜井、副斜井和回风斜井，平面间距均为40 m。全井田共划分为4个采区，开采顺序为由近及远、先上后下。采煤工艺主要为综采。掘进工艺主要为综掘。工作面采用长壁后退式综采支架一次采全高采煤法，采用全部垮落法管理顶板。支护方式主要为锚网支护、钢棚支护、锚喷联合支护。

1.2 矿井瓦斯治理现状

(1) 保护层开采抽采方式。青龙煤矿井田范围内含煤共15层，可采煤层为M16,M17(局部可采),M18煤层。根据青龙煤矿的实际情况，以M16煤层作为保护层，先开采M16煤层[8]，减少M16煤层的瓦斯涌出量，增加M17,M18煤层的透气性，使M17,M18煤层安全开采。

(2) 工作面顺层+穿层立体抽采。采用顺层钻孔抽采时，钻孔间距为3～5 m，钻孔长度为80～100 m，钻孔终孔直径为113 mm，全程下套管；采用穿层钻孔抽采时，钻孔间距为10～15 m，钻场间距为10～15 m，重点抽采工作面距进回风巷大于60 m及顺层钻孔控制空白带区域。顺层钻孔+穿层钻孔立体抽采钻孔布置如图1所示[9]。

图1 立体抽采钻孔布置Fig.1 Three-dimensional drainage drilling layout

(3) 走向高位钻孔抽采。在采用高位定向钻孔进行区域抽采的同时，结合高位钻孔抽采高位定向钻孔盲区或不适宜布置区域，可更好地实现工作面采空区瓦斯抽采[10]。

2 顺层定向钻孔与分支孔控制技术

2.1 顺层定向钻孔原理

利用定向钻机在孔口提供工具面调整与制动、回转、给进起拔动力[11]。利用泥浆泵输出冲洗液并经旁通阀(或代用接头)进入螺杆马达，将液体的压力能转换为机械能，推动马达转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，进行定向钻进。利用随钻测斜数据来调整弯外管的工具面向角，使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。顺层定向钻孔如图2所示。

图2 顺层定向钻孔Fig.2 Directional drillings along layer

2.2 分支孔控制技术

施工时，根据矿井地质构造条件及目的，有“前进式”和“后退式”2种施工顺序。但是在进行施工时都存在从主孔中定向开分支孔问题，还可能涉及分支孔重入技术[12]。

(1) 主孔中开分支孔技术。针对煤矿井下钻孔施工一般均为裸眼的状况，可采取裸眼侧钻技术开出各分支孔。悬空侧钻施工工艺简单，易实现，是目前最为常用的开分支孔方法[13]。主孔及其分支孔布置如图3所示。

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图3 主孔及其分支孔布置Fig.3 Layout of main drilling and its branch drillings

(2) 分支孔重入技术。在定向分支钻孔中，如果主孔中有多个分支孔，进行起下钻或换钻头作业后，可能面临如何重新进入某分支孔的问题。针对煤矿井下多采用裸眼定向钻孔的情况，一般通过调整工具面向角来重新进入预定分支钻孔中[14]。

定向钻进技术和分支孔控制技术保证了钻孔轨迹控制精度满足技术要求。

3 施工方案

3.1 钻场布置

21601工作面运输巷Y3点向前5～205 m区域共设计抽采钻孔2组，16个钻孔，其中顺层预抽钻孔12个，设计开孔间距为0.5 m；定向预抽钻孔4个，设计开孔间距为1.5 m，设计抽采半径为5 m，控制巷道掘进方向长度为200 m，控制巷道两帮轮廓线外各15 m，巷道宽度为4.5 m，钻孔平均控制倾向长度为34.5 m，控制21601工作面运输巷掘进方向长度为227.5 m，有效影响半径为5 m，如图4所示，其中红色为定向钻孔(4个)，蓝色部分为普通钻控制范围，普通钻孔共12个。钻孔设计剖面图如图5所示。

图4 21601工作面运输巷钻孔
Fig.4 Drillings at transportation roadway of 21601 working face

图5 21601工作面运输巷钻孔设计剖面Fig.5 Section of drillings at transportation roadway of 21601 working face

3.2 钻孔施工难题

(1) 煤层松软，瓦斯较高，施工顺层钻孔会遇到严重喷孔、塌孔现象，导致抱钻、压钻事故。

(2) 设计钻孔为顺层钻孔，可能会与底抽巷定向钻孔串孔。

(3) 煤层瓦斯含量较高，钻杆向前打孔过程中会破坏周围煤岩的应力分布，使得一部分瓦斯由吸附状态变化为游离状态瞬间释放出来，导致多重瓦斯超限现象。

3.3 解决方案

(1) 将水动力钻孔改为风动力钻孔，即利用矿用空压机将外界的空气吸入，再压缩作为钻进的动力。

(2) 若出现串孔现象，立即停止施工，将串孔封堵，调整钻杆角度后再向前打孔。

(3) 施工过程中随时使用瓦斯检测仪检测瓦斯含量，一旦发现瓦斯超限现象，马上连通瓦斯放喷装置进行连抽，以降低瓦斯含量，避免瓦斯突出。

4 应用效果分析

2018-05-19—06-28，在青龙煤矿21601工作面运输巷Y3点向前80 m处的不同方向和不同深度取煤样，测定可解吸瓦斯含量和残余瓦斯含量。

(1) 可解吸瓦斯含量测定。在井下向煤层施工钻孔，采集一定深度处的新鲜煤样，利用DGC瓦斯含量直接测定装置进行测定[15]。根据AQ 1066—2008《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》，煤层可解吸瓦斯含量Q为井下解吸含量Q1(瓦斯损失量)、常压解吸含量Q2和粉碎后瓦斯解吸含量Q3之和，即Q=Q1+Q2+Q3[16]。

在21601工作面运输巷Y3点向前80 m，2018-07-01T06:40:00开始第1次井下解吸，解吸时间为30 min，钻孔倾角为-6°，钻孔方位为25°，取样深度为24～25 m，煤样质量为468.1 g，水分为1%。2018-07-01T21:40:00进行第2次井下解吸，解吸时间为30 min，钻孔倾角为-4°，钻孔方位为7°，取样深度为90～91 m，煤样质量为596.2 g，水分为1%。2次解吸量和解吸时间的关系如图6所示。

第1次解吸量和解吸时间的关系可表示为

图6 解吸时间与解吸量关系曲线Fig.6 Relationship curves of desorption time and desorption amount

(1)

从图6可看出，随着解吸时间增大，第1次解吸量最终趋于稳定，当时间为20 min时，解吸量稳定为186 mL，说明煤样最大解吸量为186 mL。测得井下解吸含量Q1=0.846 8 m3/t，常压解吸含量Q2=0.494 4 m3/t，粉碎后解吸含量Q3=0.431 7 m3/t，则第1次可解吸瓦斯含量Qa=1.772 9 m3/t。

第2次解吸量和解吸时间的关系可表示为

(2)

由图6可看出，当解吸时间为25 min时，第2次解吸量稳定为310 mL。测得Q1=0.860 3 m3/t，Q2=0.678 2 m3/t，Q3=0.630 9 m3/t，则第2次可解吸瓦斯含量Qb=2.191 3 m3/t。

(2) 残余瓦斯含量测定。残余瓦斯含量W等于可解吸瓦斯含量与残存瓦斯含量之和。测得2次残存瓦斯含量均为3.001 0 m3/t，则第1次残余瓦斯含量W1=4.773 9 m3/t，第2次残余瓦斯含量W2=5.170 4 m3/t。根据AQ 1026—2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》，煤炭日产量小于1 000 t的矿井，残余瓦斯含量应小于8 m3/t，因此，W1和W2均满足要求。

连续抽采一个多月后，瓦斯抽采纯量无衰减，平均瓦斯抽采纯量达到1.26 m3/min，比原来提高了12%。与常规钻孔相比，采用定向钻孔抽采的瓦斯体积分数提高了50%，抽采瓦斯可用于地面发电，瓦斯治理效果显著。