基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　安全技术及工程基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究李　彦　明１ꎬ２(１.中煤科工集团重庆研究院有限公司ꎬ重庆　４０００３９ꎻ２.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室ꎬ重庆　４０００３９)摘　要:为了研究高位定向长钻孔在上隅角瓦斯治理中的效果ꎬ利用定向钻机装备在唐口煤矿进行了煤层顶板定向长钻孔施工和瓦斯抽采效果检验ꎬ结果表明:高位定向钻孔最大深度达到６０６ｍꎬ钻孔有效孔段占比超过８０％ꎬ较普通高位钻孔降低直接辅助工程量达６０％以上ꎬ降本效果显著ꎮ另外ꎬ定向高位钻孔比普通高位钻孔的瓦斯抽采浓度提高１倍ꎬ抽采纯量提高６０％以上ꎬ有效降低了上隅角和回风流中瓦斯的浓度ꎬ增效明显ꎮ关键词:瓦斯治理ꎻ高位定向钻孔ꎻ定向钻机ꎻ采空区ꎻ裂隙带ꎻ上隅角中图分类号:ＴＤ７１２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－０２１５－０４ＵｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅＬＩＹａｎｍｉｎｇ１ꎬ２(１􀆰ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒｔｉｏｎＬｔｄ.ꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３９ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｆＧａｓＤｉｓａｓｔｅｒＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＥｍｅｒｇｅｎｃｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｇａｓｃｏｎｔｒｏｌꎬａｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏａｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅｓｅａｍｒｏｏｆａｎｄｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｅｆｆｅｃｔｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｉｎＴａｎｇｋｏｕＭｉｎｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｍａｘｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｂｏｒｅｈｏｌｅｒｅａｃｈｅｄａｔ６０６ｍꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓｏｖｅｒ８０％ｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅꎬａｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｕｘｉｌｉａｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｏｖｅｒ６０％ｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｎｄｔｈｅｃｏｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｗａｓｏｂｖｉｏｕｓ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃ￣ｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓｔｗｉｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｎｄｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｐｕｒｅｖｏｌｕｍｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｖｅｒ６０％.Ｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒａｎｄｔｈｅａｉｒｒｅｔｕｒｎｉｎｇｆｌｏｗｗａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇａｓｃｏｎｔｒｏｌꎻｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇꎻｇｏａｆꎻｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅꎻｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒ收稿日期:２０１７－１０－１５ꎻ责任编辑:王晓珍　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰０３０基金项目:国家科技重大专项资助项目(２０１６ＺＸ０５０４５－００３－００４)作者简介:李彦明(１９８０—)ꎬ男ꎬ河北保定人ꎬ副研究员ꎮＴｅｌ:０２３－６８６８３２４３ꎬＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:李彦明􀆰基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):２１５－２１８􀆰ＬＩＹａｎｍｉｎｇ.Ｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):２１５－２１８􀆰０　引　　言随着国内煤矿开采深度的不断增加ꎬ煤层赋存的地质条件越来越复杂ꎬ造成煤矿瓦斯治理难度越来越大ꎬ其中ꎬ生产过程中回采工作面上隅角的瓦斯治理问题已成为当下许多矿井面临的瓦斯治理难题之一[１]ꎮ目前针对采面上隅角瓦斯治理ꎬ国内煤矿主要采用高抽巷、埋管抽采、高位钻孔等方式ꎬ其中高位钻孔由于具有施工方便、工程量小、费用低、效果好等特点ꎬ被多数煤矿采用ꎮ但是受普通钻机装备限制ꎬ施工的高位钻孔还是普遍存在钻孔深度浅、孔径小、辅助工程量大、相邻钻场钻孔衔接处瓦斯抽采效果波动大等诸多问题[２－３]ꎮ因此ꎬ针对现有高位钻孔技术的短板ꎬ非常有必要研究采用定向钻机施工高位定向长钻孔的工艺技术ꎬ以进一步提高上隅角瓦斯治理的效果、降低企业成本ꎬ保障矿井安全生产ꎮ１　高位定向长钻孔抽采上隅角瓦斯技术分析高位钻孔抽采上隅角瓦斯的基本原理:随着采煤工作面推进过程中顶板岩层的逐步垮塌ꎬ采空区瓦斯涌入上部的裂隙带区域ꎬ通过提前在裂隙层高５１２２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷度施工高位钻孔可将上隅角积聚的瓦斯抽出[４]ꎬ如图１所示ꎮ图１　高位钻孔瓦斯抽采示意Ｆｉｇ.１　Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｙｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅ通过高位钻孔技术的现场应用及总结ꎬ普通高位钻孔除了施工方便、工程量小、效果较好等特点外ꎬ还存在２个方面的技术缺陷:①钻孔轨迹基本为单斜孔ꎬ位于裂隙带区域的长度仅占全孔长度的４０％~６０％ꎬ有效孔段较短ꎻ②在回采到相邻钻场钻孔的重叠区时ꎬ受钻孔抽采衔接影响ꎬ极易引起瓦斯浓度瞬时增大ꎬ造成安全隐患ꎮ目前ꎬ定向钻机装备及其技术已十分成熟ꎬ因此ꎬ利用定向钻进功能施工顶板高位定向长钻孔治理上隅角瓦斯已成为可能ꎮ与普通高位钻孔相比ꎬ高位定向钻孔具有以下技术优势:①采用定向钻机可以大幅增加钻孔最大深度ꎻ②采用定向钻机可以施工更大直径的钻孔ꎻ③利用定向钻机轨迹可控的特点ꎬ可以将钻孔轨迹严格控制在顶板裂隙带发育区域ꎬ大幅增加有效孔长度ꎬ进而提高瓦斯抽采浓度和抽采量[５－７]ꎬ其技术原理如图２所示ꎮ２　高位定向长钻孔参数设计利用高位钻孔抽采上隅角瓦斯的原理是基于岩层移动关键层理论及采空区裂隙分布“Ｏ”型圈理论[８－１１]ꎬ即将钻孔的终孔位置布置在顶板裂隙发育范围内ꎬ通过高位钻孔抽采上隅角积聚的瓦斯ꎬ以降低工作面回风流瓦斯浓度ꎮ由于不同矿区的煤层及顶板岩性不同ꎬ因此其顶板垮落形成的“三带”高度也有差别ꎮ为了达到更好的瓦斯抽采效果ꎬ在进行高位定向钻孔参数设计之前应先确定施工区域的冒落带和裂隙带高度范围ꎮ图２　高位定向长钻孔瓦斯抽采示意Ｆｉｇ.２　Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｉｎｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ２.１　钻孔裂隙带范围确定煤层顶板的冒落带和裂隙带垂直高度一般采用经验公式计算[１２－１４]:Ｈｍ＝１００Ｍ６.２Ｍ＋１０.０±２.５(１)Ｈｌ＝１００Ｍ３.１Ｍ＋６.０±６.５(２)式中:Ｈｍ为冒落带高度ꎻＨｌ为裂隙带高度ꎻＭ为开采煤层厚度ꎮ因此ꎬ高位钻孔高度Ｈｚ应该满足下列条件:ＨｍＨｚＨｌ(３)本次实施的高位定向钻孔试验选在山东能源淄矿集团唐口煤业公司ꎬ矿区南翼的６３０采区６３０６工作面ꎬ采区内３号煤层厚度９.１~１１.１ｍꎬ平均１０.０８ｍꎬ由此将Ｍ＝１０.０８ｍ代入理论公式(１)、式(２)计算:Ｈｍ＝１００Ｍ６.２Ｍ＋１０.０±２.５＝１１.４~１６.４ｍＨｌ＝１００Ｍ３.１Ｍ＋６.０±６.５＝２０.６~３３.６ｍ因此ꎬ参照公式(３)ꎬ设计的高位钻孔高度(距煤层顶板)取值范围为:１６.４ｍＨｚ３３.６ｍꎮ２.２　钻孔层位选择为保证钻孔的抽采效果ꎬ首先应保证钻孔完整性ꎬ避免成孔后孔壁坍塌堵塞钻孔ꎬ所以在钻孔布置层位选择时ꎬ必须考虑岩层的稳定性和成孔性ꎮ根据唐口煤矿煤层柱状图资料显示ꎬ煤层顶板１６~３４ｍ依次分布着中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩和细砂岩ꎬ从钻孔施工和孔壁稳定的角度考虑ꎬ将高位定向６１２李彦明:基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究２０１８年第１期钻孔最终高度设计在细砂岩和粉砂岩层位为宜ꎮ２.３　钻孔参数确定根据３号煤层基础参数得出的顶板裂隙带发育范围ꎬ以及钻孔层位的选择分析ꎬ试验共设计了２个定向钻孔钻场ꎬ设计施工６组高位定向长钻孔(其中钻孔设计终孔高度为距开孔点高度)ꎬ设计钻孔孔径为９８ｍｍꎬ其他参数见表１ꎮ３　试验效果分析３.１　高位定向长钻孔施工情况钻孔参数确定后ꎬ采用ＺＹＷＬ－６０００ＤＳ型定向钻机在６３０６工作面进行了钻孔施工ꎬ最终实际完成的钻孔参数见表２ꎮ通过现场试验总结ꎬ覆盖１０００ｍ长度的工作面只需施工２个定向钻场ꎬ而采用普通高位钻孔ꎬ按每５０ｍ施工１个钻场计算ꎬ覆盖整个工作面需要施工２０个钻场ꎬ前者方案较后者减少直接辅助工程量８０％以上ꎮ另外ꎬ通过试验完成的６个定向钻孔来看ꎬ孔径均为９８ｍｍꎬ最大孔深达到６０６ｍꎬ钻孔终孔轨迹与设计基本吻合ꎬ施工过程中选择的细砂岩和粉砂岩层位稳定ꎬ基本没有出现塌孔掉块的现象ꎬ最终施工的钻孔轨迹如图３所示ꎮ图３　６３０６工作面高位定向钻孔成孔轨迹示意Ｆｉｇ.３　ＴｒａｊｅｃｔｏｒｙｄｉａｇｒａｍｏｆｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｈｏｌｅｉｎＮｏ.６３０６ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ３.２　高位定向长钻孔瓦斯抽采情况为便于观察高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果ꎬ特选择６３０６工作面最靠近定向钻场的普通钻场钻孔作为对比ꎬ所有钻孔在施工完成后即安装抽采管路接抽ꎮ由于６３０６工作面宽仅为６０ｍꎬ而回采速度每天可达１２~１４ｍꎬ因此普通高位钻孔的钻孔服役周期远小于定向高位长钻孔ꎬ二者之间的效果对比如图４、图５所示ꎮ图４　普通高位钻孔瓦斯抽采情况Ｆｉｇ.４　Ｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｃｏｍｍｏｎｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅ从图４、图５可以看出ꎬ一组普通高位钻孔正常情况下可以抽采５~７ｄꎬ最大瓦斯体积分数维持在６％左右ꎬ瓦斯抽采纯量２.５~３.０ｍ３/ｍｉｎꎻ而一组定向高位长钻孔正常情况下可以抽采５０ｄꎬ瓦斯体积分数保持在１２％左右ꎬ瓦斯抽采纯量４~５ｍ３/ｍｉｎꎮ二者相比ꎬ后者比前者瓦斯浓度提高１倍ꎬ瓦斯抽采纯量提高６０％以上ꎮ另外ꎬ对比现场收集数据ꎬ采用普通高位钻孔时ꎬ工作面回风流瓦斯体积分数在０.２４％~０.３０％ꎬ上隅角瓦斯体积分数在０.４％~０.６％ꎬ改用高位定向钻孔后ꎬ工作面回风流瓦斯体积分数在０.２０％~０.２４％ꎬ上隅角瓦斯体积分数在７１２２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷０.３％~０.４％ꎮ由此证明ꎬ采用高位定向钻孔抽采上隅角瓦斯ꎬ其效果更突出ꎮ图５　定向高位长钻孔瓦斯抽采情况Ｆｉｇ.５　Ｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ４　结　　论１)相比于普通高位钻孔ꎬ采用定向钻机施工的高位钻孔深度、有效孔段等均提高较多ꎬ而且后者的瓦斯抽采效率更高ꎬ瓦斯治理效果更明显ꎮ２)通过在唐口煤矿进行的高位定向钻孔试验表明ꎬ本次试验计算的高位钻孔裂隙带发育范围较为准确ꎬ高位钻孔层位选择较为合理ꎬ为后期钻孔的瓦斯高效抽采打下基础ꎮ３)通过现场试验表明ꎬ采用顶板高位定向长钻孔可以有效降低工作面回风流和上隅角瓦斯浓度ꎬ该工艺技术未来将成为煤矿井下上隅角瓦斯治理的一个主