低位长距离钻孔“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究

李炎涛

(山西煤炭运销集团阳泉有限公司,山西 阳泉 045000)

程庄煤矿为高瓦斯矿井,15#煤瓦斯含量较高,采用放顶煤开采工艺,工作面日产量为6 000 t,生产强度大。回采工作面采用“本煤层钻孔+高抽巷+低位抽采巷”为主的综合治理体系,其中低位抽采巷是从以往的内错尾巷发展而来,层位沿15#煤顶板掘进。矿井当前瓦斯治理模式可以解决回采工作面上隅角瓦斯问题,但是随着矿井的不断延伸,工作面煤层瓦斯含量逐渐增高,导致煤层开采期间瓦斯超限的问题日益加重。低位抽采巷在使用上也存在安全隐患:一是顶板垮落不及时，抽采效果不稳定，导致上隅角偶有超限,二是在顶板冒落过程有引发爆炸的安全隐患。

随着矿井的不断延伸,15#煤层瓦斯含量逐渐增大,巷道掘进期间瓦斯涌出量较大,施工低位抽采巷掘进工程量和资金投入较大,掘进时间较长,导致工作面接替紧张。近年来,随着定向钻机施工技术的不断发展,采用“以孔代巷”技术来进行瓦斯治理在许多煤矿得到了应用和推广[1-6]。以钻孔代替巷道,可以减少巷道工程,减少井下作业,缓解接替关系,降低工程成本。在此基础上,在程庄煤矿15#工作面开展定向钻机施工顶板走向低位长距离钻孔抽采采空区瓦斯的“以孔代巷”试验,进行了钻孔参数优化和抽采工艺研究,形成了适合矿井煤层条件的“以孔代巷”成套技术工艺,保障了工作面的安全回采。

1 试验工作面概况

试验选在程庄煤矿15306综放工作面,该工作面位于井田中部南翼,工作面走向长度225 m,倾向推进1 155 m,面积259 875 m2,保有储量247.401万t,可采储量230.3万t。工作面地面标高1 111.6～1 050.6 m,井下标高790.5～764.5 m,埋藏深度为286.1～321.1 m。工作面煤层赋存稳定、结构简单,煤层厚度最大为6.50～8.65 m,平均7.23 m。工作面总体为北高南低的单斜构造,走向近乎西北-东南向,倾角在2°～13°。工作面无断层、褶曲影响,整体地质构造简单,主要赋存构造为陷落柱。工作面瓦斯主要采用本煤层、邻近层、采空区抽放方式。本煤层采用的是在工作面进、回风顺槽施工瓦斯抽采钻孔,钻孔深度110 m,钻孔间距3 m,瓦斯抽采量为2 m3/min;邻近层采用顶板走向高抽巷抽采邻近层瓦斯,瓦斯抽采量为21 m3/min;采空区利用低位抽采巷抽采工作面及上隅角瓦斯,瓦斯抽采量为3 m3/min。试验前,工作面已回采700 m。

2 “以孔代巷”技术

2.1 “以孔代巷”技术原理

根据相关学者“横三区”“竖三带”的研究结果,工作面采动后,上覆岩层自上而下形成弯曲下沉带、裂隙带和垮落带[7-8],同时在采空区四周存在一些互相连通的采动裂隙,即“O”型圈,“O”型圈的存在为卸压瓦斯存储和流动提供了空间和通道。工作面聚集在上隅角的瓦斯通过上覆岩层裂隙向采空区涌入,低位抽采巷主要是为了解决上隅角瓦斯集聚的问题[9-10],而垮落带为高浓度瓦斯富集区,因此低位抽采巷主要布置在垮落带内[11]。以钻孔代替低位抽采巷技术是利用定向钻机能够对钻孔轨迹进行精确控制的特点,在靠近回风巷侧的“O”型圈内施工一定数量的长距离大直径钻孔,并使钻孔轨迹沿顶板裂隙带有效延伸,从而实现顶板裂隙带和垮落带内卸压瓦斯的稳定高效抽采,保证高浓度、大流量、长时间的钻孔瓦斯抽采效果,达到“以孔代巷”的目的。

2.2 低位抽采钻孔层位确定

根据矿井地层综合柱状图,15#煤层直接顶为强度较高的石灰岩,平均厚度可达13.76 m,老顶为强度较弱砂质泥岩,平均厚度可达11.51 m,上覆岩层岩性总体属于中硬岩性,可以按经验公式(1)来确定垮落带高度(h1)和裂隙带(h2)。

(1)

(2)

式中:b为累计采厚,m;15#煤层工作面采厚取7.2 m。

带入式中计算得出,垮落带高度为11.4～15.8 m,裂隙带高度为44.2～48.6 m。因此,初步确定低位抽采钻孔范围11.4～48.6 m。

低位抽采钻孔距离回风巷的水平距离S可通过“O”型圈理论来确定,计算过程如下:

L=[h-(l+hcosθ)tanα]sina+(B+

hcotθ)cosa.

(3)

式中:L为钻孔与回风巷的水平距离,m;h为抽采钻孔的终孔点与煤层顶板距离,m;l为钻孔距“O”型圈的外边界距离,一般取0～34 m;α为煤层倾角,(°);θ为“O”型圈外边界与开采边界的连线跟煤层的倾角,(°)。

根据公式得出低位钻孔与回风巷之间的最大距离为57 m。

2.3 低位抽采钻孔设计与施工

1)钻孔设计。参照工作面裂隙带发育情况和以往瓦斯抽采经验,同时为下一步钻孔层位提供参考,钻孔轨迹位于顶板以上8～48 m的岩层内,设计钻孔6个。其中：1#钻孔距离煤层顶板18 m,距回风巷帮36 m;2#钻孔距离煤层顶板7.5 m,距回风巷帮30 m;3#钻孔距离煤层顶板22.5 m,距回风巷帮22 m;4#钻孔距离煤层顶板28 m,距回风巷帮46 m；5#钻孔距离煤层顶板38 m,距回风巷帮53 m；6#钻孔距离煤层顶板48 m,距回风巷帮60 m。抽采钻孔设计见图1。

图1 低位长距离钻孔设计示意图Fig.1 Design diagram of low-level long-distance drilling

2)钻孔施工。钻孔施工分为三步,一次成孔和两次扩孔,具体步骤为:按施工设计要求调整好角度并固定钻机→Φ98 mm钻头开孔18 m→Φ98 mm钻头施工到设计深度→洗孔→起拔钻杆→更换Φ133 mm钻头扩孔至设计位置→洗孔→起拔钻杆→再更换Φ153 mm钻头扩孔至设计位置→洗孔→起拔钻杆→Φ200 mm管(水泥注浆)封孔→通过Φ133 mm埋线管与集中放水器连接→清理现场。

3)通过采用ZDY6000L大功率钻机复合钻进工艺,利用电磁波无线测量系统(电磁波无线随钻测量系统、无线螺旋槽无磁钻杆、无线三棱螺旋槽马)和高强度无线三棱螺旋槽钻杆,成功施工了6个长距离定向钻孔,钻孔总进尺2 111 m。每个钻孔安设了自动计量装置和孔板流量计,抽采管路安设在线监控系统。钻孔施工示意图见图2,钻孔参数如表1所示。

图2 定向长距离钻孔施工示意图Fig.2 Construction diagram of directional long-distance drilling

表1 15306回采工作面钻孔参数Table 1 Drilling parameters of 15306 working face

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 低位抽采巷瓦斯抽采情况

在采用低位长距离钻孔进行抽采以前,对两个月内15306工作面回采期间低位抽采巷瓦斯抽采数据、工作面回风流和回风隅角瓦斯含量进行统计,统计结果如表2所示。

表2 15306工作面瓦斯含量Table 2 Gas parameters of 15306 working face

工作面正常回采期间,低位抽采巷瓦斯抽采混合量平均152 m3/min,抽采瓦斯体积分数为1.25%,瓦斯抽采纯量1.91 m3/min；工作面回风流瓦斯体积分数保持在0.48%,回风隅角瓦斯体积分数保持在0.49%。

3.2 低位长距离钻孔瓦斯抽采效果分析

工作面回采期间,将钻孔与瓦斯抽采系统连接,抽采负压不低于20 kPa,从2020年1月18日开始至4月20日累计抽采65 d,支管单日最大瓦斯抽采纯量2.55 m3/min,抽采瓦斯体积分数为25.01%,累计瓦斯抽采总量14.2万m3,瓦斯抽采效果如图3所示。

图3 低位长距离钻孔瓦斯抽采效果Fig.3 Gas drainage effect of low-level long-distance drilling

由图3可以看出,工作面经过钻孔终孔点27 m前,由于钻孔附近裂隙尚未完全发育,钻孔未与采空区沟通,钻孔瓦斯抽采含量和钻孔瓦斯抽采纯量较小;当工作面推进距离钻孔终孔点27～68 m时,由于顶板大面积垮落,工作面顶板裂隙进一步扩大,钻孔与采空区裂隙逐渐连通,在抽采负压的作用下,采空区瓦斯流动至抽放管路中,钻孔瓦斯抽采混合量增加,抽采瓦斯含量升高,钻孔瓦斯抽采纯量开始增加;当工作面推进距离钻孔终孔点68～256 m时,采空区与抽放钻孔完全沟通,顶板岩层中裂隙交互产生,采空区的大量瓦斯通过钻孔不断被抽走,钻孔抽采瓦斯含量和纯量基本保持稳定;当工作面推进距离钻孔终孔点256 m以后,采空区逐渐被压实,裂隙减少,钻孔的有效抽采长度减少,采空区瓦斯抽采纯量开始降低;当工作面推进距离钻孔终孔点326 m以后,钻孔瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采含量基本保持不变。

3.3 单个钻孔瓦斯抽采情况分析

单个钻孔瓦斯抽采情况如图4所示。

图4 单个钻孔瓦斯抽采情况Fig.4 Gas extraction of a single borehole

从整体上看,3#钻孔抽采效果最好,抽采纯量可达2.5 m3/min;2#钻孔与1#钻孔抽采纯量基本一致,最高可达1 m3/min,并且比较稳定;4#、5#和6#钻孔瓦斯抽采纯量刚开始较低，为0.3 m3/min左右,因此采取对3个定向钻孔进行桶孔的措施,桶孔后，钻孔瓦斯抽采纯量发生了较大变化,瓦斯抽采纯量提升到0.6 m3/min左右,说明钻孔施工后部分段由于塌孔导致钻孔抽采不畅通,影响了瓦斯抽采效果。

从钻孔布置层位上看,3#钻孔与回风顺槽的水平距离与低位抽采巷基本一致,位于“O”型圈内,垂直高度位于垮落带和裂隙带中间;1#、2#钻孔位于“O”型圈的边缘;4#、5#钻孔位于采空区重新压实区,水平距离回风顺槽较远,不能有效地进行抽采;6#钻孔层位与高抽巷的层位基本一致,位于垮落带的上部,采空区裂隙发育较差。

通过对6个钻孔的单孔瓦斯抽采纯量可以看出,低位长距离钻孔的合理布置位置应为：距离煤层顶板的垂直距离为7.5～22.5 m,距离回风顺槽的水平距离为8～23 m。

3.4 工作面瓦斯含量变化情况

15306工作面从2020年1月18开始采用低位长距离钻孔进行抽采,对工作面回风流和回风隅角瓦斯含量进行了观测,回采工作面瓦斯含量变化情况如图5所示。随着工作面距离钻孔终孔点距离的增加,回风流和回风隅角瓦斯含量开始逐渐下降,在184 m处时工作面回风流和回风隅角瓦斯含量降到最低,分别为0.33%、0.36%。在使用低位长距离钻孔进行抽采期间,工作面回风流和回风隅角瓦斯体积分数始终保持在0.33%～0.51%、0.36%～0.65%,工作面未发生瓦斯报警情况。

3.5 低位抽采巷与长钻孔抽采效果对比

15306工作面回采期间采用低位瓦斯抽采巷与低位长距离钻孔瓦斯抽采效果对比,如图6所示。

图5 回采工作面瓦斯变化情况Fig.5 Gas concentration variationof the working face

图6 低位抽采巷和低位钻孔瓦斯抽采效果对比Fig.6 Comparison of gas extraction between low-level drainage roadway and low-level long-distance drilling

由图6可以看出,在工作面正常生产期间,低位长距离钻孔的瓦斯抽采纯量平均2.19 m3/min,低位抽采巷的瓦斯抽采纯量平均1.91 m3/min;低位长距离钻孔抽采瓦斯含量变化幅度较大,瓦斯抽采体积分数在6%～26%之间,低位长距离钻孔的抽采瓦斯含量变化不大,瓦斯抽采体积分数平均为1.25%。工作面回采期间,由于低位抽采巷的断面面积较大,揭露岩层范围大,岩体充分卸压,单位时间内通过低位抽采巷内气体混合量较大,稀释了瓦斯的含量,导致抽采瓦斯的含量较低。

整体上来看,低位长距离钻孔的瓦斯抽采纯量要比低位抽采巷略高一些,但从瓦斯治理效果来说,两者均成功解决了回采工作面上隅角瓦斯问题,低位长距离钻孔可以代替低位抽采巷。

4 经济效益分析

程庄煤矿回采工作面走向长度1 200 m左右,如果采用低位抽采巷,需要沿15#煤层顶板施工一条煤巷,施工周期为6个月;如果采用低位定向长距离钻孔,回采工作面需要每隔350 m施工一个钻场,每个钻场施工6个钻孔,钻孔总进尺6 810 m,施工过程中可以和回风顺槽掘进、工作面回采平行作业,互不影响,且可分段施工,施工周期为3个月。低位抽采巷与长钻孔抽采经济效益对比如表3所示。

表3 经济效益对比Table 3 Comparison of economic benefits

在确保工作面不发生瓦斯报警的情况下,与采用低位抽采巷进行抽采相比,施工低位长距离钻孔费用降低25%,施工周期缩短50%。因此低位长距离钻孔既节省开采成本,又缩短施工时间,在现场生产中是可行、合理的。

5 结论

1)在15306工作面采用定向钻机施工了6个低位长距离钻孔,钻孔总进尺2 111 m,钻孔孔径153 mm。

2)根据单孔瓦斯抽采观测结果,低位长距离钻孔的合理布置位置应为：距离煤层顶板7.5～22.5 m,距离回风顺槽的水平距离为8～23 m。

3)抽放支管单日最大瓦斯抽采纯量2.55 m3/min,抽采瓦斯体积分数为25.01%,工作面回采期间回风流和回风隅角瓦斯未发生瓦斯报警现象,初步实现了“以孔代巷”的瓦斯抽采效果,有效解决了瓦斯治理问题。

4) 通过试验研究,低位长距离钻孔抽采比低位抽采巷更有效,施工时间缩短50%,工程成本节约了25%,不仅有效缓解了矿井抽、掘、采衔接紧张的问题，而且实现了矿井瓦斯治理降本增效,适合在类似条件矿井推广应用。