深部地区复杂岩层高位定向长钻孔立体抽采瓦斯技术应用

2021-04-09陈晓永

煤炭与化工 2021年2期

陈晓永

（冀中能源峰峰集团公司，河北邯郸 056107）

1 概况

峰峰集团所属矿井位于峰峰矿区，峰峰矿区位于邯郸市西部及西南部，行政区划属于峰峰矿区、磁县、武安市。峰峰矿区地理位置位于太行山东部边缘，煤层发育时代为石炭—二叠系，地质构造条件及水文地质条件十分复杂。矿区内有2、4、6、7、8、9 六层可采煤层，其中7、8、9 号煤层和深部6 号煤层受煤层基底厚约600 m 的奥灰含水层威胁不能开采，现只开采2、4 和浅部6 号煤层。本部现有生产矿井10 对，其中煤与瓦斯突出矿井6对，高瓦斯矿井1 对，突出矿井占一半以上。所属矿井煤层瓦斯含量为2 ～22 m3/t，瓦斯压力为0.1～1.5 MPa，瓦斯涌出绝对量260 m3/min 左右。随着采深的继续加大，瓦斯含量和压力也随之增加[1]。

2 瓦斯抽采高位定向长钻孔技术

根据钻孔自然弯曲的特点或使用专用工具，使钻孔轨迹按照人们预先设计好的路径，钻进特定目标点的一种钻探方法被称为井下钻孔定向钻进技术[2-6]，即有目的地把钻孔轴线按设计要求在弯与直之间来回转换。

高位定向长钻孔实质就是依靠井下定向钻进系统，在采空区上覆岩层的裂隙带内平行稳定的打通一条抽采瓦斯的通道。在采面进行生产工作时，高位定向长钻孔运用裂隙带内因采动作用而充分发育的破裂、离层裂隙去抽采邻近层与采空区汇集于此的大量瓦斯[7-10]。抽采形式如图1 所示。

图1 高位定向长钻孔抽采采空区瓦斯示意Fig.1 Gas extraction in goaf by high directional long borehole

3 复杂岩层高位定向钻孔立体抽采技术

3.1 钻孔合理布设层位与宽度优化分析

高位定向钻孔抽采上隅角瓦斯的机理是将钻孔终孔位置布设在煤层顶板上的冒落带顶部与裂隙带中下部的“O”型圈内，以抽采上隅角积聚的瓦斯降低回风巷瓦斯浓度。钻孔抽采效果关键在于终孔位置的选择，因此钻孔垂直层距和水平错距的选择至关重要。

3.2 垂直层距的确定

当工作面向前推采时，工作面后方的采空区沿垂直方向形成“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，暴露煤体所吸附的瓦斯不断解吸，由于瓦斯的自然特性和进入到冒落带以后受工作面通风压力综合作用，瓦斯气体会偏向工作面上隅角的方向流动和沿着裂隙带上浮。抽采采空区瓦斯，一般应把钻孔布置在裂隙带中。主要是因为裂隙带瓦斯主要通过煤体或裂隙，以渗流的形式流入裂隙带，受工作面通风影响较小，瓦斯浓度也较大，另外钻孔布置在裂隙带，不易破坏，便于钻孔长期稳定地抽出高浓瓦斯。因此基于上覆岩层“三带”发育情况和卸压瓦斯运移规律，将瓦斯抽采钻孔水平段的层位选择布置在稳定且导气的裂隙带中，不仅能够提高瓦斯抽采浓度，保证抽采效果稳定可靠，而且还能减少瓦斯积聚危险。

为了确保抽采钻孔的稳定性和抽采效果，基于数值模拟、理论计算和现场实测确定的冒落带和裂隙带高度，垂向上将钻孔布置在煤层顶板上方12 ～46 m 处。

3.3 水平错距的选取

采空区覆岩随着工作面的不断推进而不断发生运移破断，在关键层破断形成的“砌体梁”结构的支撑下，采空区四周存在裂隙高度发育的“O”型圈。“O”型圈内横竖导通的裂隙为采空区瓦斯提供了富集空间和流动通道。甲烷是瓦斯的主要成分，其密度约为空气密度的一半，在密度差的作用下，瓦斯沿裂隙通道向上升浮并在裂隙带内富集。利用“O”型圈这一特性和采空区瓦斯运移特征，将钻孔布置在裂隙圈的回风侧。抽采钻孔内错回风巷的距离在抽采钻孔布置层位距煤层底板的垂高为12 ～46 m 时，内错回风巷的水平距离为8.7～68.3 m。

3.4 钻孔参数的确定

根据矿井2 号煤工作面煤层顶板上覆岩层的力学性质参数得出裂隙带的发育范围和裂隙带内瓦斯运移赋存规律，结合上述钻孔垂距和平距设计原则，可优化设计高位定向长钻孔的布置空间参数，实现裂隙带卸压瓦斯的立体抽采（图2）。钻孔参数可以根据穿遇岩层地质情况和开采布置情况等适当调整。

图2 高位定向孔立体抽采布孔示意Fig.2 Three-dimensional drainage of directional hole with high position

4 应用实例

4.1 高位定向孔施工情况

大淑村矿172107 工作面位于一采区深部，该工作面下伏各煤层均未开采。本煤层属二叠系山西组地层，煤层赋存稳定，一般厚5.4 m 左右，煤层上部一般为1 层夹矸，局部2 层，顶夹矸厚0.2 ～0.5 m，距煤层顶板0.3 ～0.5 m；平均走向长633 m，平均倾斜长145.5 m。工作面下伏野青煤保护层未开采，该工作面对应区域矿压大、瓦斯含量较高，为5.96 m3/t。

该工作面先后进行了2 个钻场的实验，选取施工较为成功的3 号钻场的施工布置为例。3 号钻场布置在172107 上顺槽210 号点位置，钻孔开孔时距工作面推采位置520 m，该钻场设计施工1 个钻孔，为C1 号钻孔，孔深510 m 左右，层位控制在2 号煤顶板以上18 m，1 号煤线下方稳定砂岩层，钻孔轨迹如图3 所示，3 号钻场定向钻孔施工剖面如图4 所示。

图3 3 号钻场定向钻孔施工示意Fig.3 Directional drilling construction in No.3 drilling site

图4 3 号钻场定向钻孔施工剖面图Fig.4 Construction section of directional drilling in No.3 drilling site

4.2 抽采效果对比

172107 工作面3 号钻场的定向长钻孔施工结束后，及时进行了接抽并实时监测。

在172107 工作面施工高位定向长钻孔前，该工作面通过施工高位瓦斯钻孔布孔工艺对采空区瓦斯进行抽采。

高位定向钻孔与普通高位钻孔抽采瓦斯浓度对比如图5 所示，瓦斯纯量对比如图6 所示。

从图5 ～6 中可以看出，高位定向长钻孔抽采瓦斯时，随着高位定向钻孔逐渐深入采空区，瓦斯抽采纯量逐渐增大，然后稳定在采空区瓦斯涌出量平均值附近。瓦斯抽采量除1 ～2 次突变外，整体上保持着较为稳定的状态。2018 年11 月平均瓦斯抽采浓度与平均瓦斯抽采纯量分别约为24%和3.3 m3/min。

高位钻孔抽采瓦斯时，瓦斯抽采纯量在2017年9 月5 日～8 日达到最高值,约为3.3 m3/min，抽采瓦斯浓度达到最高值约为20%。而后两者皆呈现出下降趋势。其抽采瓦斯浓度与抽采纯量于2017 年9 月 12 日达到最低值，分别为 5.1%和0.56 m3/min。分析原因，主要是高位钻场的有效抽采时段较短，随着工作面推进，钻孔逐渐落入冒落带，会与工作面发生串风，抽采效果不稳定。

图5 高位定向钻孔与普通高位钻孔抽采瓦斯浓度对比Fig.5 Comparison of gas extraction concentration between high directional drilling and ordinary high directional drilling

图6 高位定向钻孔与普通高位钻孔抽采瓦斯纯量对比Fig.6 Comparison of gas extraction scalar volume between high-position directional drilling and ordinary high-position drilling

172107 工作面高位定向长钻孔抽采瓦斯纯量整体上大于高位钻孔抽采瓦斯，虽然初期高位定向长钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量没有高位钻孔增加的快，但是随着工作面的持续回采，大直径高位定向长钻孔通过裂隙带与采空区导通更加丰富，瓦斯抽采纯量、抽采浓度持续增加，并进入稳定抽采期；而普通高位钻孔有效抽采孔段短，随着高位钻孔逐渐被工作面推过，瓦斯抽采纯量、抽采浓度均迅速进入低位，并持续在低位徘徊。因此，通过172107 工作面的抽采试验，大直径高位定向长钻孔完全可以替代高位瓦斯钻孔，有效治理工作面采空区瓦斯，保证工作面安全生产。

4.3 高位定向长钻孔替代高位瓦斯钻孔实践

羊东矿8272 回采工作面位于五二采区，工作面标高-572.6—-707.7 m。8272 工作面采用放顶煤采煤工艺，U 型通风方式。工作面走向长度1 010 m，倾向长178 m，工作面切眼靠近运料巷位置有68 ～82 m 位于未保护区，未保护区采取顺层钻孔预抽区域防突措施，工作面高顶钻场正常抽采量为 3.5 ～ 4.2 m3/min。

此次共完成2 个高位定向钻孔的施工，施工情况如图7 所示，1 号孔距大煤顶板约为25 m，水平距离运料巷30 m 左右，2 号孔距大煤顶板约为35 m，水平距离运料巷30 ～80 m。钻孔孔径120 mm。

为验证千米钻场2 个钻孔抽采效果，羊东矿于7 月29 日对钻孔抽采情况进行了验证试验。试验过程是将8272 运料巷高位钻场在抽钻孔全部关闭，对千米钻场2 个钻孔进行定时观测（表1）。