高位钻孔在近距离煤层群综采工作面瓦斯治理中的应用

文摘 2024-12-11 22:00 重庆

导

读

瓦斯是制约煤体安全高效开采的不利因素之一，特别是开采煤层为近距离煤层群时，受煤层层间距小、开采卸压及通风负压等影响，邻近层大量的卸压瓦斯会通过采动裂隙向回采空间涌出，容易导致采煤工作面回风流、回风隅角瓦斯超限。

为确保近距离煤层群综采工作面瓦斯高效治理，以2303综采工作面为研究对象，结合现场地质条件提出将高位钻孔应用到采空区瓦斯治理中，通过拦截采空区瓦斯涌出确保回风隅角、回风流瓦斯体积分数在安全范围内。

工程概况

山西某矿为高瓦斯矿井，井田开采面积为36.65km²，现阶段生产主要集中在浅部的2#、5#、6#及7#等煤层，开采煤层厚度均值分别为2.88、2.69、4.73、2.11m，层间距分别为5.27、28.26、19.23m，煤层瓦斯含量介于4.69~8.93m³/t。2#煤层2303综采工作面埋深均值为285m，走向、倾向长度分别为1225、165m，回采区域内煤层赋存稳定，地质构造不发育，顶底板岩性以粉砂岩、泥岩及砂质泥岩为主。2303综采工作面东侧为回采完毕的2301工作面采空区，下覆为未回采的5#、6#及7#等煤层，具体采面及下覆煤层层间位置关系如图1所示。

图1 2303工作面及下覆煤层位置示意图

2303综采工作面回采之前在回采巷道内按照5m间距布置本煤层钻孔，对煤层瓦斯进行预抽。2#煤层作为下覆5#、6#及7#等煤层的保护层进行开采，在2#煤层开采期间邻近层大量的卸压瓦斯会通过采动裂隙进入到回采空间，从而导致2303综采工作面回风隅角瓦斯超限。以往矿井利用高抽巷治理采空区瓦斯，虽然可降低采空区瓦斯涌出量，但存在巷道掘进工程量大、瓦斯治理成本高等问题。为此，提出将高位钻孔应用到2303综采工作面采空区瓦斯治理中，以确保采面安全回采。

高位钻孔瓦斯抽采应用

在2303综采工作面回采后沿垂向形成冒落带、裂隙带及弯曲下沉带，水平方向形成重新压实区、离层区及煤壁支撑影响区。在靠近采空区中部，采动压力在覆岩应力作用下形成重新压实区，但是在采空区边缘位置裂隙发育且相互联通，此范围形成O形圈，具体如图2所示。

图2 O形圈位置示意图

在采动影响下邻近层、采空区遗煤等解析的瓦斯会在采空区O形圈内积聚。将沿工作面走向布置的高位钻孔布置在O形圈内，在钻孔抽采负压作用下大量的高浓度瓦斯被抽出，不仅提高了抽采体积分数及纯量，还可有效解决回风隅角瓦斯积聚问题。

钻孔布置层位

2303综采工作面回采的2#煤层顶板以粉砂岩、泥岩为主，顶板为中硬岩层，采面回采后垮落带、裂隙带发育高度可通过下述公式计算：

式中：H_m、H_l分别为垮落带、裂隙带发育高度的数值，单位m；M为回采煤层厚度的数值，单位m。

2303综采工作面回采区域内2#煤层厚度均值为2.88m，将M=2.88m代入式（1）、式（2）即可求得H_m=4.7~9.1m、H_l=29.49~40.69m。结合垮落带及裂隙带高度计算结果，确定合理的高位钻孔层位应为2#煤层顶板上覆9.10~29.49m。

由于2303综采工作面回采期间邻近层卸压瓦斯涌出量大多为有效拦截采空区瓦斯，在回风巷内按照350m间距布置1个钻场，共计布置4个钻孔，单个钻孔内布置15个高位钻孔，以提高采空区瓦斯拦截能力。具体高位钻孔终孔分别位于2#煤层顶板上覆10、15、25m层位，其中1#~6#、7#~12#及13#~15#钻孔终孔分别位于2#煤层上覆10、15、25m位置，钻孔孔径133mm，孔深426~459m，确保邻近钻场间钻孔有60m以上搭接距离；高位钻孔水平方向终孔间距为8m，水平方向控制靠近回风巷10~58m范围。钻孔布置如图3所示。

图3 高位钻孔布置示意图

钻孔施工工艺

结合2303综采工作面现场施工条件、高位钻孔布置参数及井下现有钻进设备配备情况，选用的钻机钻进能力应达到459m以上，为此使用ZDY6000LD履带式钻机钻进高位钻孔，该钻机最大钻进深度为1000m，扭矩为6000N·m，配套3NB320泥浆泵排渣及护孔。

高位钻孔采用“Φ96mm钻头+螺杆转具+测量探管+无磁钻杆+钻杆（Φ73mm）+水尾（Φ73mm）+定向钻机”的组合方式钻进，具体如图3所示。高位钻孔孔径为133mm，钻孔钻进时首先用Φ96mm钻头钻进，随后用Φ133mm钻头扩孔。钻孔孔深为四开结构，具体为:

1）一开。采用Φ96mm钻头钻进12m，用Φ153mm钻头扩孔6m，随后下放Φ108mm钢管并固管、封孔。

2）二开。安装螺杆钻进、马达钻头、无磁钻杆、测量探管等，并用Φ96mm钻头钻进至设计孔深。

3）三开。更换Φ133mm钻头并扩孔至设计孔深。

4）四开。更换Φ193mm钻头并钻进6m，下放Φ160mm的PVC管封孔并联网接抽。

瓦斯治理效果分析

在2303综采工作面回采期间对1号钻场内高位钻孔瓦斯抽采情况进行监测，结果如图4所示。1号钻孔内高位钻孔抽采主管瓦斯体积分数介于10%~15%之间，主管瓦斯抽采混量及纯量分别为122~176m³/min、16~27m³/min；高位钻孔瓦斯抽采量波动较小。

图 4 高位钻孔瓦斯抽采情况

2303综采工作面回采时监测的回风隅角及回风流瓦斯体积分数如图5所示，高位钻孔正常接抽时回风隅角、回风流瓦斯体积分数分别为0.2%~0.5%、0.08%~0.30%；采面正常回采期间未出现瓦斯体积分数突然升高或加剧变化的情况，表明采用高位钻孔抽采后可有效拦截采空区瓦斯涌出，确保2303综采工作面安全回采。

图 5 工作面回采期间瓦斯体积分数监测结果

结语

近距离煤层群开采时邻近层卸压瓦斯会沿采动裂隙向回采空间涌出，从而在采空区等位置积聚，在通风、漏风等影响下，采空区瓦斯涌出容易造成回风隅角瓦斯体积分数增高甚至超限。为此，结合2303综采工作面现场条件，提出采用高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采，并拦截采空区瓦斯涌出，为采面安全回采创造了良好条件。

通过理论计算确定了2303综采工作面回采后冒落带、裂隙带高度，并确定高位钻孔的位置，结合现场情况制定了高位钻孔施工工艺并分析瓦斯抽采情况。工程应用后，瓦斯抽采量较大且波动较小，2303综采工作面回采时采面各位置瓦斯体积分数均处于安全范围内。

推文来源

[1]卫迎杰.高位钻孔在近距离煤层群综采工作面瓦斯治理中的应用[J].能源与节能,2024,(11):297-299.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2024.11.085.

参考文献

[1]范海峰，杨雷磊. 乌达矿区近距离煤层群开采瓦斯治理技术及装备[J]. 煤矿机械，2024，45（6）：73-77.

[2]尹鹏飞，刘思迪. 综采放顶煤工作面瓦斯涌出构成及高位定向钻孔抽采效果研究[J]. 煤矿现代化，2024，33（3）：105-109.

编辑丨张凯重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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