煤矿定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与应用

牛嘉野军

（山西西山金城建筑有限公司， 山西 太原 030053）

引言

目前，高瓦斯矿井瓦斯治理问题日益突出，千米钻机可以施工长钻孔进行采掘前预抽或者替代高抽巷抽采综采工作面上隅角瓦斯，以解决生产中的安全问题[1-3]。西山煤电斜沟矿属近水平煤层，煤层整体性好，机械强度高，地质条件适合长钻孔钻进。因此，结合斜沟矿地质条件和钻探施工经验，利用千米钻机在斜沟矿15203 工作面进行应用性试验。

1 定向长钻孔瓦斯抽采技术及装备介绍

千米钻机采用履带行走整体式的设计，带有随钻测量定向钻进系统，随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数，同时可实现钻口钻孔参数、轨迹的即时显示，便于及时了解成孔情况[4-5]。该钻机为电-液驱动，采用孔底马达钻进，依靠高压水驱动，钻杆不旋转，用定向钻进检测导线连接单元，快速检测钻孔参数，实现钻孔轨迹的实测和控制。定向钻进系统如图1 所示。

1.1 千米钻机施工封孔工艺

千米钻孔在钻进前要先施工长20 m，直径165 mm 的开口孔，然后向孔内安装管径100 mm，长度12 m 的PVC 管，在空口安装等径的钢管6 m，总长18 m，接着在空口钉木塞并接管，利用泥浆泵向孔内注入水泥砂浆封孔；钻进前还应以3.5 MPa 的水压连续测试其密闭性和承压情况。其工艺如图2 所示。

1.2 钻进过程中的防突措施

在有高瓦斯和突出倾向的地点钻进，必须通过卸压和引流来保证钻进环境的安全。钻进期间的压力和瓦斯控制装置如图3 所示，其中喷出保护装置最大承压20 MPa，其作用是在高压瓦斯或高压水喷出时自动卸压以保护钻机和人员的安全。钻杆的反冲也起到卸压保护的作用。气水分离器可将喷出瓦斯引入抽采管道，钻进回水和钻屑流入回水箱。

图1 定向钻进系统示意图

图2 千米钻孔封孔工艺图

图3 防突装置示意图

2 斜沟矿15203 工作面概况

该工作面位于南一盘区+510 m 水平，地面标高994～1 053 m，底板标高430～520 m。工作面煤层平均厚度为5.5 m，走向长2 090 m，倾向长200 m，煤层倾角5°～8°，原始瓦斯含量为12.66 m3/t。煤层层理发育完好，工作面内煤层的顶底板岩性及煤层结构如下页表1 所示。

3 千米钻孔布置

千米钻机施工地点选择斜沟矿15203 工作面，在工作面顺槽千米钻场内试验使用VLD-1000 型定向钻机施工顺层定向长钻孔。在15203 工作面进风顺槽设计外宽18 m、深5 m、内宽9 m、高3.7 m 的梯形钻场，施工15 个长钻孔，钻孔深度在400～800 m之间，钻孔终孔间距10 m。钻场附近施工一个沉淀池，以便排水。该钻场最终成孔15 个，总长6 800 m，钻孔直径为113 mm，钻孔成孔图如图4 所示。

表1 工作面内煤层顶底板情况表

图4 15203 工作面顺槽顺层定向钻孔成孔图

4 定向长钻孔瓦斯抽采效果分析

4.1 钻孔负压对抽采量的影响分析

通过改变钻孔抽采负压可以分析不同钻孔负压对于抽采量的影响。为确定合理的负压值，选取了5号、9 号、11 号钻孔进行分析，其中5 号钻孔深度为777m，9 号钻孔深度为786m，11 号钻孔深度为780m，孔深基本相同，因此选取上述3 个钻孔分析钻孔负压对抽采量的影响。各孔瓦斯抽采纯量随抽采负压的变化如图5—图7 所示。

由图5—图7 可知，随着负压的增大，钻孔抽采瓦斯纯量也逐渐增加，但是达到某一负压值后逐渐趋近于定值，其变化规律符合二次函数模型。通过对以上三组数据的分析可知，5 号孔的最佳合理负压值为20 kPa，9 号孔的最佳合理负压值为22.6 kPa，11 号孔的最佳合理负压值为18.1 kPa。同样地方法分析其他长度钻孔，最终得到理想负压范围为18～23 kPa。

4.2 钻孔瓦斯浓度、负压及流量的关系

当负压基本稳定时，分析抽采瓦斯纯量、抽采瓦斯混合量及瓦斯浓度之间的关系。通过分析，选取2号、9 号、11 号孔为研究对象，考虑负压稳定，选择固定负压下总计60 d 的抽采情况。各孔固定负压下抽采纯量、混合量、瓦斯浓度与抽采时间的关系曲线如图8—图10 所示。

图5 5 号钻孔瓦斯抽采纯量随抽采负压变化曲线

图6 9 号钻孔瓦斯抽采纯量随抽采负压变化曲线

图7 11 号钻孔瓦斯抽采纯量随抽采负压变化曲线

由图8—图10 可知，同一负压下，钻孔瓦斯抽采纯量、瓦斯浓度均随抽采时间逐渐衰减，瓦斯抽采混合量也随抽采时间逐渐减小，但是降幅小于瓦斯抽采纯量。

4.3 钻孔长度对瓦斯抽采量的影响

图8 负压为12.5 kPa 时2 号钻孔抽采瓦斯纯量、混合量、浓度随时间变化曲线图

图9 负压为10 kPa 时9 号钻孔抽采瓦斯纯量、混合量、浓度随时间变化曲线图

图10 负压为5 kPa时9 号钻孔抽采瓦斯纯量、混合量、浓度随时间变化曲线图

瓦斯抽采量的大小主要由煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量共同决定，同时钻孔瓦斯抽采量也与孔内煤壁暴露面积有关，即与钻孔深度有关。将不同长度钻孔瓦斯抽采量折算为百米钻孔瓦斯流量，分析瓦斯流量与抽采时间的变化关系。选取3 号（钻孔深度 444 m）、6 号（钻孔深度 810 m）、12 号（钻孔深度588 m）钻孔百米钻孔瓦斯流量为研究对象，作图11—图 13。

对图11—图13 进行分析可得，不同钻孔深度下钻孔初始瓦斯抽采量（qc0）和瓦斯抽采量衰减系数（β）的变化关系符合负指数关系，即：

式中：qc0为百米钻孔瓦斯初始抽采量；qct为t 时刻百米钻孔瓦斯抽采量；β 为钻孔瓦斯抽采量衰减系数；t为钻孔瓦斯抽采时间。

对图11—图13 各图分析还可得，钻孔瓦斯抽采量衰减系数β 在0.003/d～0.005/d 之间，钻孔深度越长，钻孔的初始瓦斯流量越大，瓦斯抽采量衰减系数越小。说明千米钻孔可以有效增大钻孔深度，在煤层中的扰动范围更大，进而增大瓦斯抽采量。

5 结语

1）钻孔负压对千米钻孔瓦斯抽采量的影响符合二次函数规律，其合理抽采负压范围为18～23 kPa；

图11 3 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线

图12 6 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线

图13 12 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线

2）抽采负压一定时，钻孔内瓦斯抽采纯量与瓦斯浓度随抽采时间的增大呈负指数规律衰减，瓦斯抽采混合流量降幅小于抽采纯量；钻孔深度越大，钻孔瓦斯抽采初始量越大，钻孔瓦斯抽采量衰减系数越小。