长距离大孔径高位钻孔在瓦斯抽采中的应用

2020-12-22吴鑫陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿

环球市场 2020年28期

吴鑫陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿

一、625工作面概况

根据《625综采工作面回采地质说明书》、625综采工作面煤层顶底板综合柱状图及实际施工钻孔情况，625综采工作面所采煤层为2号煤层，属于较稳定煤层。煤层厚度2.1-2.6m，平均2.4m，开采深度301-457m。煤层属低中灰，中高挥发分、特低-低硫，中-高磷，特高-高发热量的弱粘煤。煤系地层为中下侏罗纪延安组，煤层呈单一倾向，煤层倾角1-5°。根据巷道实际揭露情况及三维地震勘探成果，回采过程中，距停采线290～430m范围为向斜轴部。625工作面上覆地表为低林山区，沟壑纵横。回采后可能导致地表局部出现裂缝。

二、钻机介绍及钻进原理

长距离大孔径高位裂隙钻孔抽采瓦斯是瓦斯治理的一项重要技术措施。但要想达到理想的瓦斯治理效果，须有一套合适的瓦斯抽采设备。

（一）钻机具介绍

黄陵矿业一号煤矿所使用的钻机为ZDY12000LD型履带式液压定向钻机，该钻机具有扭矩大、操作简单、性能先进、搬移方便、安全等优点，主要用于煤矿井下探查孔、区域预抽钻孔、高位裂隙钻孔、本煤层预抽钻孔、煤层注水孔等。

（二）工作原理

ZDY12000LD型定向钻机采用泥浆脉冲深孔测量定向钻进技术，已成为一项很成熟的钻机技术，该钻机的技术关键部位在于螺杆马达、驱动短接、测量短接和脉冲发生器装置。

使用配套的泥浆泵（BLY390/12型）给钻机供水压力为4-8MPa，通过高韧性钻杆送至螺杆马达，螺杆马达内的转子在水压的输送中进行顺时针旋转，螺杆马达的前端轴承带动钻头转动，从而起到破煤、破岩的作用，在钻进过程中，钻杆不进行转动，只进行输送以及信号传输，从而有效的降低了钻杆的负载和磨损，螺杆马达的接头处是一处特殊的部件，接头带有1.25°的角度，对钻孔可以进行造斜功能，钻孔的轨迹不再是直线轨迹，而成为一条偏向螺杆马达接头的三维曲线。使用（1.25°，这个角度指的是钻杆每钻进3m造斜的最小值）的弯头可以改变钻孔弯曲率半径（改变造斜的快慢程度），并且在钻孔轨迹的最低点或最高点还可以作为分支钻孔开孔的钻进。

ZDY12000LD型定向钻机，扭矩大，转速调节宽，适合岩巷施工条件，使用Φ89mm高韧性钻杆，以提高其承受更大扭矩的能力。钻孔最大长度约为450m。孔径Φ120mm，扩孔孔径为Φ153mm。

三、长距离大孔径高位裂隙钻孔的布置

（一）技术原理

高位钻孔瓦斯抽放又称顶板高位裂隙抽放。回采工作面周围的压力，在垂直方向上形成冒落带和下沉带，在水平方向上形成煤壁支撑影响区及重新压实区。根据采空区顶板岩层移动“三带”理论和采空区内瓦斯运移规律，在“O”形圈周边是裂隙区域，该区域则是瓦斯抽采的通道。“O”形圈是采空区四周离层裂隙发育区域的形象描述。由于“O”形圈的存在，为采空区以及上覆岩层裂隙带的瓦斯流动和贮存提供了通道和空间，是采空区瓦斯聚集的地方。高位钻孔的抽放负压，加速了裂隙带内瓦斯的移动，从而高位钻孔能够抽出裂隙内高浓度瓦斯。

表1 北二东翼综采工作面回采期间高位裂隙瓦斯抽采情况

（二）钻孔设计

从表1中可以看出北二东翼综采工作面回采时高位裂隙瓦斯抽采量为28.1m³/min左右，依此作为625综采工作面高位裂隙应抽瓦斯量，根据623综采工作面高位裂隙抽采浓度平均为18%。按照下式可以计算出625综采工作面高位裂隙抽采流量。根据一号煤矿北二盘区工作面高位钻孔施工及瓦斯抽采经验，可以推断出裂隙层位在30m左右。

（三）钻孔施工轨迹

结果表明，工作面回采期间，由于煤层厚度2.2m左右，通过大孔径长钻孔抽采钻孔的应用，抽采效果比较明显，单孔瓦斯浓度最高达88%，单孔瓦斯混合量在8.4 ～12.6m³/min之间，钻场内的8个钻孔混合流量为120.5m³/min，平均瓦斯浓度为48.5%，抽采瓦斯量为18.55m³/min.占工作面瓦斯绝对涌出量的46.24%。钻场内的2～7号钻孔处于煤层顶板以上24m～36m，抽采浓度和流量效果较好，而1号钻孔位置较高，虽然有高浓度，但高位裂隙发育不好，抽采流量不大，而8号钻孔位置较低，瓦斯浓度有高浓度，但是持续抽采周期较短。为保证最佳抽采效果，钻孔终孔点的范围为距煤层顶面往上24m～36m 处。