高瓦斯煤层千米钻机探抽一体化技术研究
时间：2023-04-25 13:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
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。
1.1 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。
2.1 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
3.1 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。
图8 4号钻孔前30 d瓦斯抽采浓度和纯量变化规律
1) 探抽一体化技术需遵循精准性原则、经济性原则、高效性原则，该技术适宜于钻进距离小于500 m及500 m左右的高瓦斯煤层地质异常区。
2) 探抽一体化技术涉及钻孔开口与钻进层位、预抽钻孔间距、预抽钻孔辐射范围等关键参数，由具体的地质条件和施工机具参数决定。
3) 千米钻机钻进施工是探抽一体化实施的关键，包括移机定位、开孔与扩孔、封孔注浆、钻进施工等几个过程，应优先施工中间的长距离预抽钻孔。
4) 探抽一体化技术很好地将地质异常体精准探测和高瓦斯煤层区域瓦斯治理结合到一起，在漳村煤矿实施过程中，陷落柱长轴长度精准了49 m，单孔单月抽出瓦斯10 500 m3.
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