王 龙

(山西兰花科技创业股份有限公司,山西 晋城 048003)

1 抽采煤层及抽采系统概况

1)抽采煤层。3号煤层:位于山西组下部,上距K8砂岩平均43.83 m左右,下距9号煤层平均62.50 m左右。煤层厚度4.63 m～7.15 m,平均厚6.26 m,煤层结构简单一较简单,一般含0～2层夹矸,为本井田稳定可采煤层。直接顶岩性主要为泥岩、细粒砂岩,老顶岩性为浅灰色中厚层粉砂岩、中粒砂岩;底板岩性为黑灰色泥岩、粉砂岩,局部为细砂岩。

2)煤尘爆炸性。据山西省产品质量监督检验所M20021230号检验报告,山西兰花集团大阳煤矿煤尘火焰长度为0,岩粉用量亦为0,无煤尘爆炸危险性。

3)煤的自燃倾向性。根据山西省煤炭工业局综合测试中心提交的3号煤层检验报告,大阳煤矿3号煤层吸氧量为1.250 6 cm3/g,煤层自燃等级为Ⅲ级,属不易自燃煤层。

4)抽采系统。大阳煤矿3号煤层瓦斯抽采规模46 m3/min,布置两套抽采系统,高负压瓦斯抽采系统选用2台CBF630-2BG3水环式真空泵,低负压瓦斯抽采系统选用2台CBF710-2BG3水环式真空泵,各抽采主管、干管、支管均选用螺旋缝埋弧焊钢。

2 顶板梳状定向钻孔瓦斯抽采设计

3404工作面定向水平长钻孔的布置如图1所示。

1)钻场位置。3404工作面长度1 256 m,钻场布置在回风顺槽巷道40 m拐角位置处,如图2所示。

图1 顶板钻孔布置三维图

图2 2号钻场钻孔剖面图

2)钻孔参数。钻孔直径:选择钻孔直径为120 mm。钻孔个数:钻孔直径为120 mm时,钻孔个数为3个。

3)钻孔间距。3个定向钻孔布置方式分别为内错回风顺槽25 m、30 m、35 m,钻孔间距为5 m。

4)钻孔布置。1号、2号、3号钻孔终孔位置分别位于距离煤层顶板20 m、25 m、30 m处。根据钻孔位置关键层位理论,在工作面上方采动岩层中存在着一个决定采场上覆岩层矿上压力变形破坏的关键层。当关键层出现破段后,位于采空区中部的采动裂隙即将趋于压实,而且在采空区四周则出现一个联通的采动裂隙发育区,并随着工作面的推进而移动,在这个采动影响裂隙的发育区就形成了一个瓦斯集聚区域。只要将梳状定向抽采钻孔打在这个采场的采动裂隙区内,就可使钻孔具有较长抽采时间,较大的抽采范围和较高的抽采量。采动区沿着垂直方向由下向上分为冒落带、裂隙带、以及弯曲下沉带。沿工作面推进方向分为煤壁支撑影响区、离层区以及重新压实区。随着工作面的不断推进,横三区逐渐移动,竖三区也同时随之被压实,而裂隙带的梳状定向钻孔却始终处于一种最佳的抽采状态。

5)施钻设备。ZDY12000LD钻机、YHD2-1000T(A)随钻测量装置、螺杆马达、BLY390泥浆泵、通缆钻杆、防爆计算机。

6)施工工艺流程。准备钻场→钻孔设计→移机定位→钻孔施工→撤钻与接抽→放水与检测。

3 3404回采工作面顶板钻孔合理参数确定

3404综采工作面回采时工作面瓦斯涌出量达8 m3/min ～10 m3/min,瓦斯等级为高瓦斯矿井。大阳煤矿3号煤层瓦斯基础参数测定报告中显示3404综采工作面煤层厚度5.83 m,瓦斯含量为7.07 m3/min ～7.43 m3/t,瓦斯压力为0.45 MPa ～0.49 MPa。回采期间的瓦斯来源于本煤层和邻近层裂隙带。从3404综放工作面生产实践过程中高位抽放钻孔的抽放效果分析可以看出,钻孔终孔距顶板高度确定为23 m～28 m。

3404回采工作面千米定向钻孔轨迹设计如图3所示。

图3 3404回采工作面千米定向钻孔轨迹设计

钻孔距煤层顶板垂高20 m～30 m,距离回风侧水平25 m～35 m,有限钻场范围内布置3个梳状定向钻孔,在垂直方向上形成三角形布置。顶板定向钻孔组合理布置层位位于靠近回风巷一侧采动裂隙带内,以抽采工作面采空区上隅角集聚的高浓度瓦斯。抽采钻孔孔口负压在15.8 kPa～25.4 kPa左右,单孔瓦斯抽采量可达5 m3/min ～12 m3/min。

4 梳状定向钻孔抽采效果分析

1)3404定向钻场各梳状定向钻孔瓦斯浓度分布如图4所示。

2)通过3个不同参数的梳状定向钻孔对比分析,C钻孔抽采效果最佳,设计参数最合理。

3)单孔瓦斯抽采浓度随着抽采时间的延长先增加后减小,且最终在35%～20%上下波动。

4)抽采初期,抽采浓度不稳定,抽采量较小。随着时间的延长,抽采浓度逐渐增大,最大浓度达75%,抽采量达到12.2 m3/min,最终稳定在6 m3/min。

图4 3404定向钻场各梳状定向钻孔瓦斯浓度分布图

5 应用梳状定向钻孔产生的效果及经济效益

大阳煤矿于2016年采用定向钻机及配套设备,分别在3404工作面、3304工作面回风顺槽施工顶板梳状定向钻孔5个,用于工作面上隅角及采空区瓦斯的治理。累计进尺3 567 m,最大主孔孔深为556 m,瓦斯平均抽采浓度35%,累计抽采瓦斯113×103m3。累计新增产值790.43万元。两工作面回采未出现瓦斯超限,有效保障了该矿煤炭绿色、安全、高效生产。

采空区瓦斯抽采模式由辅助回风巷转变为长距离顶板梳状定向钻孔,两个工作面(总长1 000 m)辅助回风巷投入资金400万元(掘进成本4 000元/m),掘进施工需5个月。而采用梳状瓦斯抽采定向钻孔的施工,投入资金约122万元(含107万施工成本和15万耗损费用),施工周期为2个月。两工作面利用梳状瓦斯抽采定向长钻孔钻进技术,累计节省生产成本278万元,生产成本节约了70%,生产周期降低了60%,保障了该矿煤炭的安全高效开采。

6 结束语

1)通过理论分析和数值模拟分析,3404综采工作面定向钻孔布置在顶板上方28 m左右处,取得最佳瓦斯抽采效果。梳状定向钻孔能够长时间稳定在顶板采动裂隙区内,抽采时间稳定在150 d以上,在采煤的同时安全高效的抽采瓦斯,实现煤与瓦斯共采。

2)综采工作面上采用梳状定向钻孔抽采,结合高位钻孔抽采、本煤层钻孔抽采、上隅角埋管的抽采方法有效治理了工作面回风巷风流中的瓦斯。尤其是通过梳状定向钻孔抽采瓦斯技术研究,为今后钻孔抽采瓦斯布置方式上采取改善措施奠定了基础,也为今后抽采治理瓦斯积累了一定的经验。

3)本次梳状定向钻孔推广应用效果表明,梳状定向钻孔抽采技术可远距离高效解决采空区瓦斯治理难题,具有替代高成本的辅助回风巷的应用前景。