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工作面中部定向长钻孔回采期间治理效果分析

2025-02-11 65 上传者：管理员

摘要：因工作面中部受地质构造影响或钻孔施工工艺缺陷，钻孔轨迹无法在工作面中部形成15 m压茬，导致工作面煤体中部留存空白带区域，通过布置施工定向钻孔，对工作面煤体空白区域进行全覆盖。为更好地了解定向长钻孔补打综采工作面中部空白带施工效果，针对工作面回采期间揭露定向长钻孔过程时，对工作面作用效果进行跟踪分析。

关键词：
定向长钻孔
工作面回采
梳状分支
瓦斯抽采
钻孔揭露
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在顺槽两侧相向施工采前预抽钻孔过程中,由于地层环境或本身施工工艺､技术设备等影响,钻孔轨迹产生弯曲,钻孔施工深度有限,势必在工作面中部形成空白带区域,无法按照设计轨迹进入煤层[1],其钻孔轨迹无法达到空间交错压茬,在后期工作面抽采达标认定中埋下了安全隐患,故必须寻找出一条思路,既能将工作面存在空白带进行消除,又能够与已施工抽采钻孔形成空间､立体化抽采模式,进一步提升工作面瓦斯抽采效率[1]｡而定向钻机因其具有钻孔轨迹可人工干预､施工定位精准､钻机设备性能稳定等优势,能在已有抽采钻孔基础上,精确探测把控钻孔见煤､见岩位置,避免钻孔相互之间出现串孔干扰,按照预期目标方位角达到目标既定位置[2],对高瓦斯矿井深部松软煤层提前进行超长远距离预抽[3],可做为补充工作面瓦斯抽采治理的一项有效措施,来进行井下煤矿探地质构造､工作面加密抽采钻孔,提升区域煤体抽采能力的关键性手段,实现超前区域治理｡

1、综采工作面地质情况

某矿S5207工作面带式输送机顺槽长1849m,回风顺槽长1691m,高抽巷长1694m;回采斜距1625.0m,回采平距1620.0m,切眼斜距335.0m,切眼平距330.0m,工作面可采储量398.31万t,工作面标高+389~+455m,埋深524.5~564.0m,北接南五采区带式输送机下山,东侧为S5206工作面(已采)､西､南侧均为实体煤｡煤层平均厚度为5.6m,煤层倾角-4°~+2°,平均倾角-1°,工作面带式输送机顺槽以东发育背斜褶曲,回顺距离背斜轴部39.0~211.4m｡S5207工作面补打空白带施工轨迹图,如图1所示,圈定虚线区域为工作面在施工采前预抽孔后,工作面中部存在空白带和钻孔见岩区域情况,范围为13940.0､3146.0m2｡

2、定向长钻孔补打空白带覆盖情况

2.1钻孔设计

拟定在S5207带式输送机顺槽侧26#迈步钻场兼做煤层顶板梳状分支钻孔千米钻场,钻场内设计施工1个主孔,并每隔50m探测1次煤层顶板(或底板)位置,根据见煤层顶板或底板时下行轨迹,可判断当前孔深区域煤层倾角[4],绘制煤层顶板､底板趋势线｡在主孔内间隔24m预留1个分支点,共计施工9个分支孔,编号为1-1孔~1-9孔;主孔及分支孔覆盖工作面距离带式输送机顺槽145~200m抽采空白带[5]｡因钻孔间距越大,钻孔之间的瓦斯压力越高,抽采达标越困难[6],按照该采区钻孔施工经验值,将钻孔水平投影间距设计为6m;钻孔深度84~378m,累计进尺2067m;主孔开孔位置距巷道底板高度为2.0m,主孔开孔倾角12°,方位角129°,开孔见岩后继续施工2m,退钻依次换用准133､准153､准190mm钻头扩孔,其中准190mm钻头进行全程扩孔至孔底,下DN150封孔管至孔底后固孔,封孔长度16m,防止钻孔孔口段塌孔影响后续钻孔施工作业[7]｡主孔及分支孔主要参数,如表1所示｡

图1S5207工作面补打空白带施工轨迹图

表1S5207带式输送机顺槽定向长钻孔设计参数表

2.2钻孔施工情况

S5207带式输送机顺槽26#钻场内共计施工16个钻孔(主孔及分支孔),顶板定向长钻孔具有抽采量大的特性,优先选择施工煤层顶板分支孔[8],因该区域顶板煤岩交界处煤体破碎影响较大､成孔率低,根据碎软煤层瓦斯抽采钻孔孔壁失稳的力学机理及稳定性分析论述[9],按照探测煤层顶底板位置关系,综合评判施工区域的煤体特性,改为底板梳状分支钻孔,对钻孔施工倾角､煤体层位优化钻孔设计[10];并对施工钻进工艺进行调整,钻进工艺对孔壁稳定性的影响需引起高度关注,主要体现在水介质冲刷压力控制､钻进速度调节和钻杆的振动效应等方面,故形成了以复杂地层条件下以定向主钻孔为基础､多个分支孔梳状扩展的定向钻进技术工艺[11]｡施工最终总体评价,如表2所示,其施工钻孔平､剖面图,如图2､图3所示,图3中虚线表示近似实际煤层顶底板线｡

表2S5207带式输送机顺槽定向长钻孔施工总体评价

图2S5207带式输送机顺槽26#钻场顶底板梳状分支钻孔平面图

图3S5207带式输送机顺槽26#钻场顶底板梳状分支钻孔剖面图

26#钻场于2022年4月16日施工完毕,截至2023年7月13日,共计抽采453d,累计抽采瓦斯量16.3万m3,平均抽采纯量为0.25m3/min;煤孔万米抽采量为10.8m3/(min·万m)｡

3、定向长钻孔揭露情况

3.1钻孔抽采混量及浓度变化

当工作面回采至161.6m时,S5207带式输送机顺槽26#钻场最先被揭露D2-8-1孔,截至7月13日,依次揭露D2-8-1孔､D2-8-2孔､D2-9-1孔､D2-9孔､D2-9-2孔､D2-7-1孔､D2-5孔､D2-8孔､D2孔､D2-7孔､B2孔(顶板分支岩孔)｡根据实测26#钻场内揭露钻孔煤孔段抽采数据绘制钻孔抽采纯量､浓度､混量变化图,如图4所示｡

图426#钻场抽采纯量､浓度､混量变化图150100500400钻场浓度/%指数(钻场浓度)/%

(1)由图4可知,随着工作面向前推进,不同深度分支孔依次被揭露,钻场内抽采混量由0.42m3/min逐步上升至1.64m3/min,且呈现“台阶式”梯度上升趋势,例如:D2-8-1孔揭露后,在回采里程160~177m,钻场抽采混量值为0.42m3/min,当揭露D2-8-2孔后,在回采里程184~202m,钻场抽采混量值升高至0.67m3/min;随着混量上升,钻场内钻孔浓度由最初57.2%降至20.2%,钻场内浓度呈下降趋势,而钻场内整体钻孔抽采纯量较为稳定,其平均值为0.34m3/min｡

(2)由图2､图4可知,随着钻孔陆续揭露,当回采至379.5m位置,B2孔~1孔,钻孔为岩孔段,工作面继续往前推进110m,直至钻场内剩余岩孔段被完全揭露期间(除去钻孔封孔注浆段),由浓度趋势线可断定,浓度将趋于一个稳定值20.0%｡

3.2钻场抽采纯量变化

该钻场共计施工16个孔,26#钻场揭露钻孔抽采数据,如表3所示,钻孔揭露后直至钻孔完全消煤层顶板失,通过数据比较可知:

(1)当钻孔(煤孔段)剩余16个时,钻场平均抽采量为0.28m3/min;当钻孔剩余15个时,钻场平均抽采量为0.32m3/min,抽采量相对之前上升0.04m3/min;当钻孔(煤孔段)剩余14个时,钻场平均抽采量为0.40m3/min,抽采量相对之前上升0.08m3/min;当钻孔(煤孔段)剩余10个时,钻场平均抽采量为0.33m3/min,抽采量相对之前上升0.08m3/min｡

(2)由图2､表2可以看出,在钻孔处于带抽整个阶段,揭露的D2-8-1孔至D2-7孔,其中部分钻孔处于煤孔段时,钻场内抽采量会略有提升,而当揭露B2孔之后,揭露的所有钻孔均处于岩孔段､煤岩交界处,抽采量相比之前下降0.07m3/min｡

(3)工作面继续往前推进110m,抽采的定向孔为岩孔,钻场内抽采混量平均为2.06m3/min,钻场平均浓度22.8%,则钻场抽采纯量为0.47m3/min｡

在回采里程128.2~139.8m内,工作面回采期间回风流平均瓦斯浓度0.68%;在回采里程163.5~331.8m定向长钻孔覆盖区域范围内,工作面回采期间回风流平均瓦斯浓度0.51%｡相比于未覆盖区域,分支孔预抽区域回采期间工作面平均瓦斯浓度低0.17%,平均风排瓦斯量低4.3m3/min｡

表3S5207带式输送机顺槽26#钻场钻孔揭露情况统计

4、结语

(1)在回采过程中,26#钻场内钻孔随着工作面推进,揭露钻孔数量递增,钻孔抽采混量呈现“台阶式”梯度上升趋势;钻场内钻孔抽采纯量较为稳定,平均值为0.34m3/min｡

(2)当回采至379.5m位置,工作面继续往前推进110m,由浓度趋势线可断定,钻场平均浓度将趋于一个稳定值20.0%,实测钻场平均浓度为22.8%,与预测结果较一致｡

(3)待揭露钻孔为岩孔,钻场内钻孔抽采混量平均为2.06m3/min,平均浓度为22.8%,则钻场抽采纯量为0.47m3/min｡

(4)在工作面回采期间,相比于未覆盖区域,分支孔预抽区域工作面平均瓦斯浓度低0.17%,平均风排瓦斯量低4.3m3/min｡综上所述,定向钻孔对回采工作面消除中部空白带煤体瓦斯效果显著｡

参考文献:

[1]张军,王霄菲,王小龙.基于钻孔轨迹精确测量的瓦斯抽采钻孔群空白带控制技术[J].煤矿安全,2022,53(1):100-104.

[2]李向往,王广宏,王琳,等.梳状长钻孔预抽煤层瓦斯技术在青龙煤矿的应用研究[J].能源与环保,2019,41(7):29-33,38.