首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 复杂顶板岩层高位定向长钻孔抽采瓦斯技术的应用

复杂顶板岩层高位定向长钻孔抽采瓦斯技术的应用

2021-05-13 163 上传者：管理员

摘要：基于采空区顶板“竖三带”理论和“O”型圈理论，针对大淑村矿172107工作面褶曲、断层发育和泥岩、煤线赋存等复杂顶板岩层条件，采用大角度穿层、过软岩断层期间采用专用封孔材料注浆和套管护孔等工艺技术，实现直径120mm高位定向长钻孔在复杂地层中顺利钻进，最大深度达到538m,并与普通高位钻孔抽采效果进行比较，结果表明：高位定向长钻孔覆盖范围更广、抽采效果更加稳定。

关键词：
复杂顶板岩层
瓦斯治理
竖三带
采空区瓦斯
高位定向长钻孔
加入收藏

采空区瓦斯作为矿井瓦斯的主要来源之一，一直是煤矿瓦斯治理的重点和难点[1]。长期以来，我国煤矿治理采空区瓦斯常用的方法主要有地面钻孔法、尾巷法、埋管法、顶板高抽巷法、普通高位钻孔法等，虽然取得了不错的治理效果，但普遍存在投资成本较高、维护费用大、抽采时间相对较短、管理困难等缺陷[2]。

工作面推进后，后方的上覆岩层垂向上垮落形成“三带”,即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。随着时间的延长，上覆岩层运动逐渐稳定，中部的裂隙会趋于压实而消失，而采空区四周边缘由于受到煤柱的支撑作用，会形成一个存在大量裂隙、连续的瓦斯运移通道，即“O”形圈[3]。“O”形圈能够长期存在，其内部裂隙中赋存大量瓦斯，该理论对抽采临近层瓦斯治理提供了指导。基于高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的原理：采用定向钻进技术，将钻孔施工至裂隙带，导通“O”形圈裂隙，从而保证工作面回采过程中，高位定向长钻孔始终处于裂隙带范围内，利用抽采负压引流采空区瓦斯，进而达到降低工作面、上隅角和回风巷瓦斯浓度的目的[4]。

众多学者对高位定向钻孔做了大量研究：闫保永[5]通过对高位定向钻孔与普通穿层钻孔抽采效果的比较，得出“高位定向钻孔抽采效果更显著，有效孔段和抽采时间相对更长、抽采浓度更高”的结论；胡良平[6]分析了高位定向长钻孔瓦斯抽采效果主控因素及影响规律，提出了适用高位定向长钻孔的条件；洪建俊[7]等在桃园矿复杂岩层中成功实现最大孔深为956m的高位定向钻孔，并取得了良好的瓦斯抽采效果，为高位定向长钻孔技术的应用积累了宝贵经验。

1、工作面概况

大淑村矿172107工作面回采2号煤层，走向长677m,倾斜长205m,煤厚约5.4m,煤层倾角平均23°,工作面呈东西向，横跨于宽缓背斜(77′孔背斜)的倾伏端。背斜轴位于工作面中部，轴向NE5°,背斜西翼煤岩层走向NE40°-60°,倾向NW,倾角11°～32°,东翼煤岩层走向SE60°-100°,倾向NE为主，倾角14°～26°。

工作面回采2号煤层，顶板岩层复杂，影响钻孔施工：顶板岩层中赋存有煤线，煤质比较松软，以往施工过程中，受钻具振动和冲洗液的共同影响，煤线容易垮落形成破碎带，给施工带来困难；且顶板岩层多为粉砂岩、细砂岩交互地层，钻孔施工中粉砂岩近似于泥岩，存在缩径或者塌孔的风险，粉砂岩中还含有菱铁矿结核，造成钻头磨损；在断层等构造带处，岩层受到挤压，岩石破碎，施工钻孔穿过断层时，易出现塌孔；地层沿推进方向为一背斜构造，剖面上钻孔为“∩”型，导致钻孔部分孔段在目标层位中延伸时整体呈负角度走势，影响钻孔钻屑的及时排出，不利于施工。

2、工程应用

2.1 高位定向长钻孔参数设计

钻场布置在172107回风巷210号点处，钻孔开孔时距工作面推采位置520m。本次试验设计施工4个高位定向长钻孔，距回风巷分别为10m、20m、30m和40m。根据经验公式计算得，垂向上钻孔布置层位为煤层顶板上方12～46m处，内距回风巷的水平距离8.7～68.3m。

2.2 钻进设备

工程采用回转钻进方法开孔、扩孔与定向钻进方法施工钻孔相结合的钻进方法，所用的定向钻机为ZDY12000LD,该钻机内的基本设备有控制室、防爆型计算机、泵车等，能够使钻孔在较硬岩层内进行定向钻进施工。在开孔段使用D89mm螺旋钻杆串+D120mmPDC钻头组合，在扩孔段使用D89mm螺旋钻杆+D153mmPDC钻头组合，下套管时使用D146mm孔口管，下至穿过煤层。钻头采用D120mm平底定向钻头，该类钻头硬度大且不易磨损，碾碎岩块效果好，钻进施工中，经常与螺杆钻具结合，同时在穿煤层后的孔段扩孔和主孔段施工完成以后使用扩孔钻头。

在施工定向长钻孔时，为保证实际轨迹按照预设轨迹进行施工，以6m为测量步距监测打孔参数，发现轨迹偏离，立即纠偏。

2.3 高位定向长钻孔工程应用

采用精确的地层标定、大角度穿越破碎带、专用封孔材料注浆加固破碎带、下套管技术等措施，克服了复杂岩层对施工的影响，共施工4个高位定向长钻孔。

1号钻孔：开孔倾角10°,开孔方位85.2°,垂高距2号煤层顶板18m,距离巷帮10m,孔口段下套管护孔。钻进至60m处出现塌孔，根据巷道平面图显示，此处存在断层，选择采用专用封孔材料注浆穿过断层破碎带。在308～318m处，钻孔进入粉砂岩段，出现塌孔，无法通过，采用排渣能力强的外螺旋钻杆配合无线随钻测量系统，成功穿过粉砂岩段。钻进至378m处，砂岩层恢复初始产状，钻孔高度距顶板约16.7m,后保持在距顶板约17m高度施工，钻孔稳定在砂岩中，终孔深度538m,进入采空区。

2号钻孔：距离巷帮20m,采用大角度开孔穿越1号煤线，钻进至354m,地层产状发生变化，钻孔进入粉砂岩段，出现塌孔。

3号钻孔：距离巷帮30m,无法通过，采用螺旋钻杆配合无线随钻测量系统成功穿过，终孔深度513m,进入采空区，设计高度在煤层上方30m。

4号钻孔：终孔深度473m,进入采空区，该孔施工距离2号煤层顶板约35m,平面距巷帮40m。

2.4 瓦斯抽采效果分析

钻孔施工结束后，及时进行接抽并实时监测，连续记录高位定向长钻孔和之前普通高位钻孔的瓦斯抽采数据，并绘制钻孔抽采瓦斯浓度与瓦斯纯量对比图(图1和图2)。

从图1和图2可以看出，172107工作面在回采初期高位定向长钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量比普通高位钻孔增加得慢，但是随着工作面的不断推进，高位定向长钻孔导入裂隙带的孔段增加，与采空区导通更加丰富，瓦斯抽采纯量与抽采浓度不断增加，并进入稳定抽采期；而随着工作面推进，普通高位钻孔有效抽采孔段逐渐缩短，瓦斯抽采纯量和抽采浓度均迅速进入低位，并持续在低位徘徊。在采用高位定向长钻孔技术治理瓦斯之前，工作面推进至普通高位钻孔交替段时，工作面瓦斯浓度经常出现波动，瓦斯浓度明显增大，现利用高位定向长钻孔有效避免了钻孔交替布置时出现的瓦斯浓度增大现象，保证了工作面安全回采。

3、结语

1)针对复杂岩层破碎带、构造、地层负倾角等问题，采用精准的地层标定、大角度穿越破碎带、专用封孔材料等技术，成功施工了高位定向长钻孔，形成了复杂岩层高位定向长钻孔施工工艺。

2)高位定向长钻孔与普通高位钻孔相比，抽采覆盖范围更广，抽采时间更长，无瓦斯波动增大现象，可以替代普通高位钻孔治理采空区瓦斯。

参考文献：

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012.

[2]李杰.定向高位长钻孔抽采位置确定及瓦斯治理效果[J].煤炭科学技术,2014,42(12):51-53.

[3]钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究[J].煤炭学报,1998(5):20-23.

[4]郝光生.采空区顶板高位定向钻孔抽采技术研究[J].煤矿安全,2018,49(5):75-78.

[5]闫保永.ZYWL-4000D经济型定向钻机在平山煤矿的应用[J].煤炭技术,2019,38(9):153-155.

[6]胡良平.顶板长钻孔瓦斯抽采效果主控因素及影响规律研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2017.

[7]洪建俊,张杰,刘杰.复杂岩层高位定向长钻孔成孔技术应用研究[J].煤炭工程,2020,52(3):57-61.

王佳.复杂顶板岩层高位定向长钻孔抽采瓦斯技术研究[J].煤,2021,30(05):97-99.