高瓦斯煤层千米钻机探抽一体化技术研究

2023-03-15李晨

煤 2023年3期

李晨

(山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿，山西长治 046031)

采掘活动过程中，会不可避免地遇到各种地质异常情况，对地质体的精确探测是保证矿井安全高效合理生产组织的关键。

地质构造探测方法主要为物探和钻探，物探方法以预测为主，钻探方法以验证为主。槽波地震反射[1]、无线电波坑透[2]、地质雷达[3-4]、瑞利波[5]等技术对断层、陷落柱等不连续的地质异常体探测敏感，直流电法、瞬变电磁[6]等技术对含水地质异常体探测效果较好。掘进工作面通过施工超前定向钻孔来进行地质精准探测、瓦斯抽采、地层探放水等[7-8]，通常将长短孔结合使用。

对于高瓦斯煤层，瓦斯治理同样是制约安全生产的又一重大因素。保护层开采[9]是优先采用的区域瓦斯治理方法，随着澳大利亚千米钻机的引进，长距离定向钻孔治理瓦斯得到有效实施[10]。掘进工作面瓦斯治理主要靠施工迎头释放孔、布设迈步钻场、底抽巷穿层钻孔等方式[11-13]。回采工作面通过本煤层瓦斯预抽、采空区埋管、邻近层抽采等方式治理瓦斯[14]。

传统的地质构造钻探探测距离短，物探探测精度低；现有的本煤层钻孔抽采治理瓦斯方法具有治理区域小、持续时间短、治理成本高等特点。为充分利用千米钻机精准探测和长钻孔的优势，将地质异常体探测和区域瓦斯治理相结合，本文提出了一种探抽一体化技术。

1 探抽一体化实施基础

1.1 基本原理

探抽一体化技术是利用千米钻机精准钻进施工长距离定向钻孔，一方面利用该钻孔探明前方地质异常区，另一方面将该钻孔并入到瓦斯抽采系统进行煤层瓦斯预抽，为采掘工程活动提供安全保障，实现一孔多用的新模式。

1.2 基本原则

1) 精准性原则。陷落柱、断层等地质异常体都有其特有的形态特征，对其精准探测是实施钻探工作的首要任务。同时，预抽钻孔的布置要精准覆盖到待采掘活动的工程区域，保证瓦斯治理效果，确保安全生产。

2) 经济性原则。在保证施工目的和效果的前提下，必须优化钻孔布置，避免无效或低效钻孔的设计。精心施工组织，提高工时利用率，减少材料和人工的浪费，使成本最优化。

3) 高效性原则。在保证施工工效的同时，施工工序优化也十分重要。瓦斯抽采时间是瓦斯抽采效果的保障，应先施工长钻孔，后施工短钻孔；先施工煤层预抽钻孔，后施工岩层探测钻孔；先施工巷道中间钻孔，后施工边缘钻孔。

1.3 应用条件

探抽一体化技术的核心是一孔多用，可实现精准定位，适用于高瓦斯煤层地质异常体探测，以及相应区域的煤层瓦斯预抽。尽管千米钻机的有效钻进距离可突破1 000 m，但考虑到施工过程中返水、返渣、掉钻、塌孔等因素的影响，探抽一体化技术最好用于钻进距离小于500 m及500 m左右的高瓦斯煤层地质异常区。

2 探抽一体化方案设计

2.1 工程概况

漳村煤矿是一座生产能力为400万t/a的矿井，现开采3号煤层，平均煤厚6 m，相对瓦斯含量9.5 m3/t.经三维地震探测，在26胶带巷北侧134.5 m发育有1个椭圆形陷落柱SX17，长轴为177 m，短轴为113 m，如图1所示。

图1 探抽一体化工程背景

2.2 关键参数

1) 钻孔开口位置与钻进层位。坚持精准性和经济性原则，钻孔的开口位置应选在探抽实施区域的最近已掘巷道中。钻孔开口高度由钻机型号决定，同时应尽可能减小钻孔初始段与目标方向的角度，降低施工阻力。

钻机在煤层中容易钻进，但容易塌孔，尤其是软弱煤层；在岩层中钻进效率低，成孔效果较好。基于此规律，较硬煤层的探抽一体化钻孔可布置在煤层中；较软煤层的主钻孔应布置在岩层中，然后再向煤层中施工多分支孔进行预抽，单一功能的探测孔可布置在煤层中。

2) 预抽钻孔间距。根据实际工程背景，建立50 m×50 m的Comsol流固耦合数值模拟几何模型，如图2所示，模型底部和左侧为滚轴边界，其余为自由边界，抽采孔直径100 mm，模型受垂直和水平力、作用，设OA监测线，模拟参数如表1所示。

图2 数值模拟几何模型

表1 数值模拟参数

单一抽采钻孔在不同抽采时间下的瓦斯压力分布云图如图3所示，随着抽采时间的增加，钻孔的瓦斯抽采半径逐渐增大。分别提取抽采10 d、50 d、100 d、300 d后OA监测线的瓦斯压力数据，具体变化规律如图4所示。

图3 不同抽采时间的瓦斯压力分布

图4 OA监测线瓦斯压力随抽采时间变化规律

从图中可看出，抽采10 d后的影响半径为0.7 m，抽采50 d后的影响半径为2.5 m，抽采100 d后的影响半径为4.0 m，抽采300 d后的影响半径为4.5 m.因此，在预抽钻孔设计中，两个抽采孔的终孔间距因不大于单孔抽采影响半径的2倍，实际工程为了避免抽采盲区，应适当缩小间距，此处钻孔间距以不大于8 m为宜。

3) 预抽钻孔辐射范围。巷道掘进过程中，巷道扰动影响范围内的瓦斯将涌向掘进工作面。因此，预抽钻孔的辐射范围要涵盖巷道掘进的扰动影响范围。采掘工程活动产生的扰动影响的本源来自采动应力，为分析便捷，考虑单轴双向等压应力场条件下的巷道围岩影响情况。

假设巷道所受主应力为自重应力σz=γH，则巷道周围的应力分布特征为[15]：

(1)

式中：σr为径向应力，MPa；σt为切向应力，MPa；γ为岩体容重，N/m3；H为巷道埋深，m；r1为掘进巷道等效半径，m；r为巷道围岩关注点到巷道中心距离，m.

对于巷道扰动范围的界定可按照改变原岩应力的5%来计算，即切向应力σt高于1.05σz或径向应力σr小于0.95σz.由此可计算出掘进巷道的影响范围为：

(2)

式中：R为掘进巷道的影响范围，m；r1为掘进巷道等效半径，m.

2605运巷断面设计为5.4 m×3.8 m的矩形巷道，巷道的等效半径为3.3 m，带入式(2)，2605运巷掘进后的影响范围R=14.75 m.因此，预抽钻孔辐射范围可取15 m.

2.3 千米钻机钻孔布置

综合考虑钻孔深度、钻机生产能力等因素，将钻场设立在2605运巷口西侧8 m位置，钻场长深高为6 m×4.5 m×3.7 m.定向钻孔设计在3号煤层开孔，然后顺煤层钻进至指定区域。根据探抽一体化设计的基本原则和SX17陷落柱物探结果，钻场内设计施工8个钻孔，钻孔编号1～8号，其中，1号、8号钻孔各设计1个分支孔，分别探测SX17陷落柱的东部和西部区域，分支起始位置均在主孔36 m位置处。1号-1～7号钻孔的各终孔间距为6 m，为保证2605运巷掘进期间瓦斯不超限，1号-1和7号钻孔距离2605运巷两帮15 m，如图5所示。

图5 探抽一体化钻孔布置平面图

各定向钻孔主孔在3号煤层开孔，并每隔60 m开分支向上探至3号煤层顶板。钻孔开孔高度为1.5 m，目标方位角0°，孔径100 mm，开孔方位角为348.0～21.0°，开孔倾角-2～2°，孔深168～450 m，钻孔总进尺3 732 m，如表2所示。

表2 探抽一体化钻孔设计参数

2.4 瓦斯抽采设计

每个钻孔成孔完毕后，及时清洗干净孔内残渣，接上排水除渣装置、蝶阀、孔板流量计等装置，将已成孔的钻孔用160 mm高压胶管并网到26胶带巷的D426 mm抽采网络中，如图6所示。待上一个施工完的钻孔并网完成后再施工下一个钻孔。根据应抽尽抽的原则，钻孔始终保持抽采状态，直到有其他必须的采掘工程活动的时候才拆除抽采管路。抽采过程中，保证各钻孔抽采负压为15 kPa，定期记录抽采钻孔内的瓦斯浓度、混量等参数。

图6 瓦斯抽采并网示意

3 方案实施与应用效果

3.1 实施方案

本次施工使用的是VLD-1000型履带式液压钻机，施工过程主要分为以下几个过程：① 移机定位。将钻机移至开孔点煤壁前1.5～3 m，按照设计的方位角和倾角固定钻机。② 开孔与扩孔。首先，用D98 mm钻头开孔16 m；然后，用D153 mm钻头扩孔15 m；最后用D193 mm钻头扩孔15 m.③ 封孔注浆。采用D160 mm的钢管封孔，封孔长度为15 m，其中，孔口前0.4 m的封孔材料为石膏，其他位置的封孔材料为水泥砂浆。④ 钻进施工。保证孔内马达正常运转，确保返水、返渣正常；实时记录钻孔钻进轨迹，并与设计轨迹进行对比，及时纠偏。

为了给瓦斯治理争取更多的抽采时间，同时考虑施工过程钻孔封孔的凝固时间，钻孔施工顺序依次为4号、5号、3号、6号、2号、7号、1号、8号。

3.2 实施效果

1) 陷落柱边界探测。根据各钻孔的施工情况，分析钻孔数据，得到探抽一体化钻孔施工结果如表3所示。除了1号-2钻孔为全煤外，其余钻孔均不同程度遇陷落柱，穿过陷落柱的长度为27.8～110.1 m不等。

表3 探抽一体化钻孔施工结果

将探测结果绘制到采掘工程平面图上，陷落柱探测结果平面图如图7所示。

图7 陷落柱探测结果平面图

SX17陷落柱的精准探测轮廓为梨形，长轴128 m，短轴114.4 m，距离26胶带巷北帮141.5 m.与三维地震探测结果相比而言，陷落柱往北平移了7 m，长轴缩短了49 m，短轴基本一致，为陷落柱的精准加固和2605运巷的高效掘进打下了坚实的基础。

2) 钻孔瓦斯抽采。钻孔施工完毕后，立即按照设计要求并网抽采。以4号钻孔为例，前30 d瓦斯抽采浓度和纯量变化规律如图8所示，单孔瓦斯浓度为75%左右，单孔瓦斯纯量约0.45 m3/min.从前1个月的监测数据中可发现，瓦斯抽采量整体平稳，前10 d有小幅度波动，整体衰减较小，单孔每月可抽出瓦斯10 500 m3.8个钻孔经过6个月预抽，预计可抽出500 000 m3瓦斯，平均每米巷道抽出1 120 m3瓦斯，为2605运巷的安全高效掘进提供了充分的安全保障。