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煤礦井下瓦斯抽采(放)鑽孔施工技術

來源:http://www.x5o.net/news11443.html   發布時間:2018/8/11 14:29:00

現階段,鑽孔抽采(放)瓦斯是礦區治理瓦斯災害的主要措施,我國每年用于瓦斯治理的鑽孔工程總量已超過 l 億 5000萬米,在礦區安全生産中發揮出了重要作用。從鑽孔層位、抽采(放)目的等方面看,瓦斯抽采鑽孔的主要類型包括沿煤層鑽孔、頂闆高位鑽孔以及穿層鑽孔。不同類型的鑽孔可使用不同的鑽機型号、成孔工藝和施工技術。本文針對煤礦井下瓦斯抽采鑽孔的布孔方式及施工技術進行探讨分析,希望能夠有效推動這項技術的快速發展。

我國擁有非常豐富的煤層氣(瓦斯)資源,正是由于這個原因,經常發生煤礦工人在井下執行開采作業時遇到瓦斯事故,已經構成煤礦安全事故的主要原因之一。為了保證煤礦井下的作業安全,國務院辦公廳于 2006 年 6 月發布了《關于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若幹意見》。在意見中,再次指出了“必須堅持先抽後采、治理與利用并舉”的作業方針。所說的先抽後采,就是利用鑽孔對瓦斯進行預抽,使煤層中的瓦斯含量降低,最終達到安全生産的目的。鑒于這項工作的重要性,有必要針對其布孔方式及施工技術進行專項研究。以便于在實際施工的過程中,結合礦井的地質條件、瓦斯含量、井下作業條件、設備能力等因素,對瓦斯抽采鑽孔的具體形式進行合理選用,确保施工質量符合要求。

1  高位瓦斯抽采(放)鑽孔施工技術
近些年來,随着鑽探水平和設備能力的不斷提升,很多礦區都在嘗試使用頂闆高位水平長鑽孔的方式對鄰近層瓦斯進行抽采,卸壓抽采為這一做法提供了理論基礎。在具體施工中,主要是對上鄰近層賦存或者受采動影響所湧出的瓦斯,還包括部分采伐區瓦斯地行抽采。
1.1  選擇鑽孔層位
高位瓦斯抽采鑽孔主要是根據煤層開采後形成的豎三帶、橫三區及 O 型圈等規律,以及煤岩覆存條件來确定鑽孔層位的。頂闆水平長鑽孔主要負責抽采裂隙帶、上覆鄰近層以及部分采空區内的瓦斯,進而減少采煤工作面的瓦斯湧出量。根據覆岩的移動規律和瓦斯的流動規律,導緻裂隙帶的中下部裂隙充分發育,成為鄰近層瓦斯和冒落區瓦斯的主要聚集區域。由于具有瓦斯含量高、濃度大的特點,成為抽采瓦斯的最佳層位,也是布置高位鑽孔的理想位置。通常情況下,這個位置要選在 3-5 倍采高的範圍之内;另外,要想取得良好的抽放效果,就必須保證成孔以及鑽孔的完整性,在選擇鑽孔布置層位時,要對有效區域内的岩層性質和成孔性進行全面分析,最好将鑽孔位置選在相對穩定的岩層當中。
1.2  确定鑽孔參數
要想取得良好的抽放效果和生産效率,建議使用大直徑長鑽孔。但是,在确定鑽孔深度和直徑時,要對該區域的地層條件、抽放要求、施工技術與設備能力進行全面考慮,确保鑽孔濃度和直徑的合理性。其中,地層條件是最為重要的參考依據,它在很大程度上決定了抽放要求和設備能力的最終确定。當地層具備打深孔的條件時,可适當的提高抽采要求及鑽孔深度,甚至讓鑽孔覆蓋在整個工作面上。如果地層條件較差,無法進行長鑽孔施工時,則要根據實際情況對各項參數進行調整,确保鑽孔深度的科學合理。鑽孔直徑的大小對瓦斯抽采的效果具有直接影響。從理論上講,針孔直徑越大時,瓦斯的滲透面積越大,抽放的效果就越好。但在實際施工的過程中,還要對瓦斯含量、抽放周期和施工成本等方面進行綜合考慮,根據因地制宜的原則選擇出最經濟、最适合的有效的鑽孔直徑。
1.3  鑽孔布置形式
當鑽孔參數确定之後,就需要根據工作面條件和抽采要求進行鑽孔布置,這一環節是保證取得良好抽放效果的前提條件。以走向長 1000m、寬 200m 的工作面為例,如果頂闆岩石完整、成孔性好的話,則鑽孔深度可在 800-1000m 之間,其位置可在回采終止線前 10m 左右,從回風巷道向頂闆上順抽放巷,然後在工作面的中間位置再向回采面方向設置一組高位走向的長鑽孔。另外,由到受到礦井通風壓差的影響,靠近回風一側的鑽孔抽放效果要明顯好于進風一側的投放效果。因此,在進行鑽孔布置時應盡量靠近回風一側,并将鑽孔密度或直徑加大。這時,要沿着回風巷道找到合适位置設置鑽窩,并使每個鑽窩内的鑽孔向回采面方向呈扇形分布,并覆蓋靠近回風一側作面的一半以上,确保鑽孔具有抽放量大和抽放時間長的特點。通常情況下,鑽孔間距為≥lm,在同一平面内設置一些夾角,避免孔口密封和防止串孔。如果頂闆岩石層含有膨脹或松軟泥岩的成分,在布置鑽孔時要盡量避開該層,也不要設計得太深,可根據實際情況采用順槽斜鑽孔的方式進行補充。目前,國内已有多家煤礦企業采用大直徑高位長鑽孔進行瓦斯抽放,并已取得較好的應用效果。例如陽泉煤業集團使用的 MK-6 型鑽機,施工時最大孔深到達到了 603.5m;七台河煤業使用的 ZDYl0000S 型鑽機最大孔深可達到 685m,陝煤集團也已超過了 520m。
2  本煤層瓦斯抽采(放)鑽孔施工技術
從煤礦井下瓦斯治理和利用的角度來看,需要在煤層中進行一些鑽孔,用于抽采或釋放瓦斯,确保井下生産安全。沿煤層鑽孔具有鑽孔進尺少、抽采效果較好的特點,在施工條件允許的情況下,應将沿煤層鑽孔做為預抽瓦斯施工的首選。鑽孔過程可根據目的的不同分為兩類:
2.1  為巷道掘時服務預抽瓦斯
為巷道掘進服務的預抽瓦斯是沿煤層長鑽孔和防突鑽孔,通常是在巷道兩側各布置 2 個間距約 5m 的長鑽孔,該鑽孔與巷道的掘進邊緣保持 10m 的距離。施工中,為确保鑽孔位置不偏離巷道掘進方向,通過保直措施有保證鑽孔軌迹既不偏離巷道的掘進方向,又不會侵入到掘進範圍當中。對于存在突出危險的煤層來說,為了确保作業面的安全,可以在掘進工作面上施工深度較淺的地方進行防突鑽孔,減少地層中的瓦斯含量和壓力,确保井下安全。防突鑽孔的深度一般都在 lO-30m 之間,鑽孔直徑小于 100mm,鑽孔間距和排距都要保持在 lm 左右。同時,為了确保煤壁内瓦斯得到很好的釋放,掘進頭四周的鑽孔需要按外插角的形式布置。對于瓦斯含量特别高的煤層來說,有時也會在煤巷兩側排放孔,用于保證煤巷的正常掘進。實踐證明,隻要地層條件、設備條件允許,使用方法正确,該類鑽孔就可以收到非常好的防突效果,有利于提高巷道的掘進速度。
2.2  為煤層回采服務的預抽瓦斯
為煤層回采服務的預抽瓦斯是沿煤層走向長鑽孔和沿煤層傾向鑽孔。通常情況下,礦區需要根據瓦斯賦存量和湧出量、回采工作面長度等因素決定本煤層預抽鑽孔的正确布置方式。目前,主要有沿采煤工作面走向布置長鑽孔和沿工作面傾向布置沿煤層鑽孔兩種主要方式。其中,沿工作面走向長鑽孔的鑽場一般都設置在回采終止線或尾巷附近,鑽孔深度視實際施工條件而定。現有設備已具備 1000m 的鑽孔能力,因此,對于 1000m 以上的工作面來說,如果煤層成孔條件較好的話,水平長鑽孔的設計深度可達到 800-1000m,在每個工作面布置 4-5 個長鑽孔的情況下,可将整個工作面覆蓋進行瓦斯抽采或翻放。如陝西銅川的陳家山煤礦,其工作面長度已超過 l000m,沿煤層鑽孔深度達 800-1000m,鑽孔直徑 113m,采用 ZDYl0000S 型鑽機進行施工,實際鑽孔深度為 865m。當施工條件受到地層原因或設備能力限制時,可以将工作面劃分為幾個區段,然後在各個區段内沿工作面走向布置鑽場和設計走向長鑽孔,鑽孔深度可在 300-500m 之間。在這種分區段施工中,可考慮使用 ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L 等中深孔鑽機進行操作。在沿工作面傾向布置沿煤層鑽孔時,有斜鑽孔、平行鑽孔和交叉鑽孔等布置方式。鑽孔深度一般在 80-150m 之間,終孔直在 94-130m 之間,鑽孔間距保持在 10-30m 之間。根據以往的施工經驗,發現鑽孔向回采面方向呈斜角布置的鑽孔瓦斯抽采效果較好,且搬遷方便,可優先考慮使用。
3  穿層瓦斯抽采(放)鑽孔施工技術
穿層鑽孔是另一種治理煤礦瓦斯事故的有效方法。它按照用途和施工方法的不同可分為以下兩種:
3.1  在煤層底闆施工工藝巷道中上仰鑽孔
通過在煤層底闆施工工藝巷道中上仰鑽孔,穿過松散的危險煤層抽采瓦斯,進而達到降低瓦斯壓力的目的。這種方法适用于瓦斯濃度較高的松軟煤層,此類煤層不但施工難度大,還極有可能造成瓦斯和煤的突出,隻能采用這種成本相對較高的瓦斯抽采方法。施工中,通常都是把瓦斯抽采工藝巷布置在掘進煤巷的下方,距煤巷的最小距離不小于 15m。在工藝巷内,每隔 30-50m 需設置一個專用鑽場,每個鑽場内呈放射狀布置數量不等的鑽孔,這樣不僅可以對欲掘進巷道部分煤層及其影響範圍内的瓦斯進行抽采,還可以對欲回采煤層中的瓦斯進行抽采,确保煤巷掘進和煤層回采時的安全性。通常情況下,每個鑽場内的鑽孔數量不少于 10 個,但具體數量還需根據鑽場間距、瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層透氣性、巷道面積和工作面寬的具體情況而定。這類鑽孔的深度一般不超過 100m,鑽孔直徑不超過 100m。但也有一些特殊情況,例如緩傾斜煤層時,最大鑽孔深度可達 150m;在斷層帶等瓦斯富集區,可在煤層地闆施工一些較短的專用瓦斯巷,在瓦斯巷中施工數十個或上百個不同方向、不同角度的鑽孔,覆蓋該區域,用于煤層瓦斯的抽采和釋放。這類鑽孔,一般都是穿過煤層進入頂闆煤層孔段,鑽距盡量相近,确保良好的瓦斯抽及釋放效果,保證煤層回采的安全。由地這類情況下的鑽孔深度較小,使用能力較小的鑽機即可取得理想的施工效果。
3.2  在煤層回風巷道中施工上仰鑽孔
這種方法是在煤層回風巷道中,穿過煤層頂闆及其鄰近不可采煤層,利用采動影響對鄰近層及部分采空區進行瓦斯抽采,降低采煤工作面的瓦斯含量。這種方法适用于回采煤層頂闆岩石較好、上鄰近層不可采但瓦斯含量高、壓力大等情況。所說的上鄰近不可采煤層,有可能是一層,也可能是多層,它們的共同點是距離主煤層較近,煤層中的瓦斯由于受到采動影響,極有可能沿裂隙帶和冒落帶大量湧入回采工作面,進而引發瓦斯安全事故。如果讓鑽孔進人頂闆裂隙帶并施加負壓,對已經進入到裂隙帶中的瓦斯進行抽采或釋放,就不會湧人工作面影響回采煤層的安全。這類鑽孔的軌迹不宜進入冒落帶,否則會影響抽放瓦斯的效率。如果鑽孔的軌迹合理,當工作面回采超過鑽孔位置後,依然可以在一定時間内對隙帶中的瓦斯進行抽采,防止其湧入采空區,進而威脅到回采工作面的安全。在回風順槽或專用巷道中施工時,相隔 30-50m 需布置一個專用鑽場,在每個鑽場内呈放射狀布置 5-lO 個鑽孔。鑽孔深度要求在 100m 左右,最大鑽孔直徑可達到 200mn,鑽孔傾角控制在 35-450°之間。在選取角度時,既要保證鑽孔軌迹不進入冒落帶,又要保證裂隙帶中有足夠的鑽孔長度。還可以在鑽孔進入裂隙帶後,采用降低鑽孔傾角的進行定向鑽進的方法,延長裂隙帶中的鑽孔長度,進一化加強抽采效果。
4  未來的發展趨勢
近些近來,随着我國對瓦斯抽采施工經驗的不斷總結與提煉,不論是在煤礦井下瓦斯抽采方法方面,還是在鑽孔設備和成孔工藝方面都取得了快速發展。目前,瓦斯抽采專用鑽孔設備已經具備了上千米的鑽孔能力。但是,由于我國的煤礦地質條件非常複雜,當前的軟煤鑽進水平與煤礦施工的實際需求相比,依然存在很大的差距。在今後的發展過程中,要着重緻力于軟煤鑽進的中風壓空氣鑽進和螺旋鑽杆鑽進這兩項技術的進步。力争做到在 0.3≤f≤O.5 的煤層中,鑽孔深度可達到 100m;在 0.5<f≤1 的煤層中,鑽孔深度可将會達到 200m。在定向鑽進方面,随着螺杆鑽具的使用以及随鑽測量定向儀的研制成功,當條件允許時,無論是沿煤層鑽孔還是高位鑽孔,最大深度都會達到 80-1000m 以上,甚至會超過 1200m,還可以根據施工需要,實現 500m 以下或600-800m 之間的配套産品及工藝方法,實現真正意義上的受控定向鑽進。
5  結束語
近些年來,随着瓦斯抽采技術的不斷提高,施工過程中的針對性越來越強,可結合煤層的特性、結構、透氣性的不同而選用不同的抽采技術,确保在煤礦井下對瓦斯進行有效抽放,保障采煤作業面的安全性,為煤礦行業的健康發展提供重要保障。

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