基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l 45 No 12 Dec 2019 文章编号1671-251X201912-0012-06DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019040026 基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式 韩兵1 1.煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室％辽宁抚顺 摘要以成庄矿为例，分析了定向钻进技术在顺层钻孔抽采实体煤、高位钻孔抽采采空区、跨破碎带抽采 待掘区域等方面的应用，研究了基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式针对实体煤层采用顺层递进模 块式抽采技术，通过长时间、大范围抽采及预抽模块、掘进工作面、回采工作面的循环递进，实现回采煤量和 抽采煤量的良性接替；针对“U”型通风上隅角瓦斯集聚区域采用顶板高位定向钻孔抽采技术，高位定向钻孔 通过裂隙带与上隅角构成连通系统，采空区内瓦斯通过裂隙被钻孔抽出，从而降低采空区内瓦斯浓度；针对 破碎煤层采用煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术，主孔布置于顶板中，钻孔跨越破碎煤体后施工梳状分支 钻孔进入煤层，从而掩护下一阶段巷道掘进；针对煤层积水情况采用顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技 术，煤层中积水排采钻孔和顶板中瓦斯抽采钻孔在空间上实现水-气流场联通，煤层孔排水降压后利于顶板 孔抽采瓦斯采用该瓦斯抽采模式后，成庄矿瓦斯抽采率达60以上 关键词瓦斯抽采；定向钻进；顺层定向钻孔；高位定向钻孔；梳状定向钻孔；煤-岩-煤型顶板定向钻 孔；顶抽气-底排水定向钻孔；综合立体抽采 中图分类号TD712 文献标志码A Co mpr e h en s iv et h r ee-d imen s io n a l g a sd r a in a g emo d e ba sed o n d ir ec t io n a l d r ilin g t ec h n o l o g y HAN Bin g12 1. CCTEG Sh en y a n g Resea r c h In st it ut e, Fush un 113122, Ch in a; 2. St a t e Key La bo r a t o r y o f Co a l Min eSa f et y Te c h n o l o g y , CCTEGSh en y a n g Rese a r c h In st it ut e,Fush un 113122, Ch in a Abstract Appl ic a t io n s o f d ir ec t io n a l d r il l in g t ec h n o l o g y in ext r a c t in g so l id c o a l by bed d in g bo r eh o l e, ext r a c t n g g o a f by h 1g h bo r eh o l e, ext r a c t 1n g pr e-exc a v a t ed a r ea c r o ss1n g f r a c t ur ed zo n e a n d so o n w er e a n a l y zed by t a k1n g Ch en g zh ua n g Co a l M1n e a s a n exa mpl e. A c o mpr eh en s1v e t h r ee-d 1men s1o n a l g a s d r a 1n a g e mo d e ba sed o n d 1r ec t o n a l d r 1ln g t ec h n o l o g y w a s r esea r c h ed . Bed d 1n g pr o g r ess1v e mo d ul a r d r a 1n a g et ec h n o l o g y 1sa ppl e d t o so l d c o a l -sea m,w h 1c h c a n r ea l zeben 1g n r epl a c emen t o f m1n 1n g q ua n t t y a n d d r a 1n a g eq ua n t t y t h r o ug h l o n g -t 1mea n d l a r g e-sc a l ed r a 1n a g ea n d c y c l c pr o g r essa mo n g pr e-d r a 1n a g e mo d e l ,t un n el n g f a c ea n d m1n 1n g f a c e.Ro o f h 1g h d 1r ec t 1o n a l bo r e h o l e d r a 1n a g e t ec h n o l o g y 1sa ppl ed t o g a s a c c umul a t o n r eg 1o n a t upper c o r n er un d er Ut y pev e n t l a t 1o n .H1g h d 1r ec t 1o n a l bo r eh o l e sa n d upper c o r n er f o r m a c o n n ec t 1o n sy st em t h r o ug h f r a c t ur ed zo n e, a n d g a s1n g o a f 1s ext r a c t ed by t h e bo r eh o l e t h r o ug h f r a c t ur e ,so a st o d e c r ea se g a sc o n c en t r a t 1o n 1n g o a f .Co mb-l ked 1r e c t 1o n a l bo r eh o l e t ec h n o l o g y 1n c o a l - r o c k-c o a l t y pe r o o f 1s a ppl ed t o f r a c t ur ed c o a l -sea m. Ma 1n bo r e h o l e sa r e a r r a n g ed 1n r o o f .Co mb-l ke br a n c h b o r e h o l e sa r ec o n st r uc t ed a n d en t er c o a l -s ea ma f t e r t h ema 1n b o r e h o l e sc r o ssf r a c t ur ed c o a l bo d y ,so a st o pr o t ec t n e xt r o a d w a y t un n el n g .Co mb1n ed c o mb-l ke d 1r e c t 1o n a l bo r e h o l e t ec h n o l o g y o f g a sd r a 1n a g e 收稿日期收稿日期2019-04-09；修回日期修回日期 2019-12-08；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项青年项目018QN009。 作者简介作者简介韩兵1985 ,男，吉林德惠人，助理研究员，硕士，现主要从事煤矿安全技术研究工作,E-ma il729446397q q . c o m。 引用格式引用格式韩兵基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式工矿自动化2019,451212-16. HAN Bin g . Co mpr eh en siv e t h r ee-d imen sio n a l g a s d r a in a g e mo d e ba sed o n d ir ec t io n a l d r il l in g t ec h n o l o g y J. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n 2019 451212-16. 2019 12 韩兵基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式 ・13・ o n t o p a n d w a t er d r a in a g e a t bo t t o m is a ppl ied t o c o a l -sea m w a t er in g . Wa t er d r a in a g e bo r eh o l es in c o a l sea m a n d g a s d r a in a g e bo r eh o l es in r o o f c a n r ea l ize c o n n ec t io n o f g a s-w a t er f l o w f iel d in spa c e, a n d w a t er d r a in a g e pr essur e-d ec r ea se by t h e bo r eh o l es in c o a l -sea m is g o o d f o r g a s d r a in a g e by t h e bo r eh o l es in r o o f . Ga s d r a in a g e r a t e o f Ch en g zh ua n g Co a l Min e a c h iev es 60 by use o f t h e g a s d r a in a g e mo d e. Key words g a s d r a in a g e; d ir ec t io n a l d r il l in g; bed d in g d ir ec t io n a l bo r eh o l e; h ig h d ir ec t io n a l bo r e h o l e; c o mb-l ike d ir ec t io n a l bo r eh o l e; d ir ec t io n a l bo r eh o l e in c o a l -r o c k-c o a l t y pe r o o f; d ir ec t io n a l bo r eh o l e o f g a s d r a in a g e o n t o p a n d w a t er d r a in a g e a t bo t t o m; c o mpr eh en siv e t h r ee-d imen sio n a l d r a in a g e 0引言引言 定向钻进是使用定向钻机、随钻测量系统，利用 钻孔自然弯曲及人工造斜工具，使钻孔按照设计延 伸至预定目标的钻进方法W 从2003年起，国内 一些大型煤矿企业逐步引进欧美国家的定向钻进装 备，开始探索定向钻进技术在煤矿领域的应用「4勺。 近年来，随着国内定向钻进装备不断完善，其在煤矿 钻探领域的应用日趋成熟。2014年，寺河煤矿施工 1 881 m定向顺层钻孔；2017年，保德煤矿施工 2 311 m超长定向顺层钻孔，打破了世界纪录「6）。 随着我国煤矿开采深度不断增加，瓦斯含量逐 步增大，高瓦斯矿井抽采与采掘衔接日趋紧张。定 向钻进技术因其定位准确、施工距离长、规模化抽采 等优点，现已大规模应用于矿井瓦斯抽采工程，克服 了传统普通坑道钻机施工的空间局限性，大幅提升 了矿井瓦斯抽采效率「7切。 本文以晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿为 例，分析了定向钻进技术在顺层钻孔抽采实体煤、高 位钻孔抽采采空区、跨破碎带抽采待掘区域等方面 的应用模式。成庄矿在实践过程中形成了基于定向 钻进技术的综合立体抽采模式（10），针对实体煤层、 “U”型通风上隅角瓦斯集聚区域、破碎煤层、煤层积 情况 分 采 顺层 递 模 块 式 抽 采技术 、 高 位定向钻孔抽采技术、煤-岩-煤型顶板梳状定向钻 孔技术、顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术 进行瓦斯抽采。该模式已成为“采煤采气一体化晋 城抽采模式”的重要组成部分（11「12）。 1矿井概况矿井概况 成庄矿位于山西省晋城市，生产能力为 8.3Mt /a ,属于高瓦斯矿井。矿井采用综合机械化 采全 高 综 采 煤 和 大 采 高 2 采 煤 式 采 用“U”型通风方式，开采3号、9号、15号煤层，煤层 6 276 97 Mm3 抽 191594 Mm3 抽 采 1 5 m3/a。 煤 层 中等硬度，煤体结构较为完整，煤体裂缝系统较为发 育。成庄矿现有LD-1000型和ZDY6000LD型2个 系列定向钻机。 2顺层递进模块式抽采技术顺层递进模块式抽采技术 成庄矿利用千米定向钻机施工距离长、定位准 确的特点，在巷道掘进期间向相邻待掘区域布置定 向钻孔，进行长时间、大范围的区域预抽，待煤层瓦 斯含量降至安全范围后，在抽采有效覆盖区域进行 采掘活动，然后向下一区段施工定向钻孔，为巷道快 速掘进和工作面安全回采创造有利条件。通过预抽 模块、掘进工作面、回采工作面的循环递进，实现了 回采煤量和抽采煤量的良性接替。同时充分利用千 钻 确定 、 分 点 对 待 采 掘 行 详细的探顶、探底作业，摸清待采掘区域的煤层变化 情况。顺层递进模块式抽采技术如图1所示。 普通钻孔补充抽釆 回采工作面丨 TIIT 备用工作面 U ITI r o w 定向钻孔预抽模町|定向钻孔预抽模更| 长钻孔抽采空白带 WHSxWl 待掘进工作面 ■■ 图1顺层递进模块式抽采技术 Fig 1 Bed d in g pr o g r essiv e mo d ul a r d r a in a g e t ec h n o l o g y 以4313工作面为例介绍定向钻孔布置方式。 钻场间距为150〜200 m,每个钻场布置10〜15个 钻孔，呈扇形布置，钻孔覆盖范围为300 mX250 m, 钻孔长度为300〜500 m,直径为96 mm,每个钻孔 设5〜10个分支，钻孔每前进30〜50 m对煤层进行 探顶、探底作业，探明抽采区域煤层产状、厚度等信 息，分支孔终孔间距为5叫两钻场交叉范围为 50 m。定向钻孔未覆盖的区域施工普通钻孔进行 补充。 4313工作面自2012年6月8日开始施工定向 钻孔，截至2017年11月3日，瓦斯抽采总量为 3 484.89万m3。工作面煤层原始瓦斯含量为 14. 2 m3/t，抽采后煤层瓦斯含量降至5. 81 m3/t ,可 ・14・ 工矿自动化 45 解吸瓦斯含量降至3. 43 m3/t,工作面瓦斯含量变 化如图2所示。与普通钻孔相比，定向钻孔有效抽 采 长，整体 流量大，一般 通钻 J 5倍。水平定向钻 体积分数初期 70〜 80，后期衰减至40。而普通钻孔初期瓦斯体积 分 20〜80,浓度变化较大，钻孔流量衰减 图2工作面瓦斯含量变化 Fig .2 Ga s c o n t en t v a r iet y o n w o r kin g f a c e 3顶板高位定向钻孔抽采技术顶板高位定向钻孔抽采技术 李广义等「⑷、李爱军、朱鹏飞5对成庄矿顶 板高位定向钻孔抽采技术进行了研究。笔者通过现 场观测 集相关资料，对 高位定向钻孔抽采 技术进行分析。该抽采技术利用钻机深孔定向功 ，钻孔从煤巷以大角 升 ， 定高 持水平钻进，增加钻孔有效抽采 ，提 高钻孔服 。 “U”型通风工作面，采空区大量瓦斯被带入 ，加之风流不畅，极易导致上隅角 集- 施工 高位定向钻 ，钻孔通 与工作 面上隅角构成连通系统，在负压 合 ， 采 通 高 定向 钻 抽 ，如图3所示，从而降低上隅角 Fig .3 Ga s f l o w f ie l d o f r o o f h ig h d ir ec t io n a l bo r eh o l ed r a in a g e 成庄矿在多个工作面施工了顶板高位定向钻 孔。本文选取4318工作面进行分析。钻场布置在 4318-2 ， 工 8 高 定 向 钻 ， 钻 长 258〜360 m,钻孔终孔层位在52. 9〜107. 8 m,钻孔 布置如图4所示，具体 1- 4318-2 巷 m 靄 ⑶8工作面_ 享向钻孔 1 II II iisooe5 图4顶板高位定向钻孔布置 Fig .4 Dist r ibut io n o f r o o f h ig h d ir ec t io n a l bo r e h o l es 1 高 定向 钻 布 Ta bl e1 Dist r ibut io n pa r a met er so f r o o f h ig h d ir e c t io n a l bo r eh o l e s 钻 编号 长/ m 方位 角/ 倾角/ 层 /m 煤 /m 距巷道 /m R-1 2583020 60. 2 47.448.1 R-2 2583024 100.0 63.148.8 R-3 3605122107.868.141.0 R-4 339372782.662.042.3 R-5 282272862.164.337.1 R-6 336372562.584.270.0 R-7342322560.876.052.5 R-8273352052.950.126.5 钻孔施工完成后连入抽采系统，适时关闭已进 入深部采 钻孔，开启采动影响范围 钻孔, 抽采的同时收集钻 、负压、混量， 并对各钻 集数据进行分析。限于篇幅，选取 R1,R3,R5这3个钻孔进行分析。 R1孔长258 m,开孔倾角为20,终孔高度为 60.2 m。在工作面推过钻孔32 m后顶板垮塌形成 裂隙，钻孔流 然增大，瓦斯体积分 60 左右。 工 ，钻孔流量增加到 8 m3/min j 体积分 持在50左右，瓦斯 4 m3/min,维持了 200 m 。后期顶 ，钻孔流量降至4 m3/min左右，瓦斯体积分 数降至40左右，相应纯量降至1. 6 m3/mino R-3 长 360 m， 开 倾角 22， 高 107. 8 m-在工作面推过钻孔22 m后顶板垮塌形 成裂隙，开始有钻孔流量，瓦斯体积分 60。 工 ，钻孔流 7 m3/min , 体积分 持在50左右, 3.5 m3/min- 期钻 流 降 2 m3/min， 体 积分数降至30，相应纯量降至0. 6 m3/min- R-5 长 282 m， 开 倾角 28， 高 62.1 m- 工 钻 45 m 塌 成 ， 开 有 钻 流 ， 体 分 60 工 ，钻孔流 8 m3/min , 体积分 持在50左右, 2019 12 韩兵基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式 ・15・ 4 m3/min。后期顶板垮落稳定，钻孔流量降至 5 m3/min左右，瓦斯体积分数降至30左右，相应 纯量降至1. 5 m3/mino 通 对比分析, 3个钻孔均布置在裂隙 带内，R1,R3,R5钻孔较高，低层位钻孔流量大于 高层位钻孔，抽采效果更好o 4318工作面抽采高浓 倾斜方向上分布 小于50 m 范围内，垂直方向上分布在层位高度60〜80 m范 围内。 4318工作面抽采时，统计工作面风排瓦斯量为 9.8 〜17.6 m3/ min ， 高 定 向 钻 抽 采 为5. 5〜11.1m3/min ,如图5所示。顶板高位定向 钻孔瓦斯抽采 工 32.2〜 48.9，有效减少了流入风流的瓦斯量。 图5钻孔瓦斯抽采量、风排瓦斯量随时间变化曲线 Fig . 5 Va r iet y c ur v es o f g a s q ua n t it y ext r a c t e d by bo r eh o l e a n d exh a ust e d by w in d 顶板高位定向钻孔抽采技术具有抽采距离长、 钻孔有效利用率高、钻孔层位稳定、 高、抽 采率高 点，能够有效治理采 ，减少上隅 角 集。 4煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术 水平定向钻孔遇松软破碎煤层时易发生塌孔、 卡钻现象， 是在矿压影响下， 周边30〜 50 m范围内钻孔施工困难。针对这一现象，成庄矿 采用煤-岩-煤型 梳状定向钻孔技术，如图6所 。定向钻机在煤层中开 升 ，主孔 布 成孔性较好 稳定 中，钻孔跨 煤体后， 工梳状定向钻 煤层，从 而 阶 掘 目的。在梳状定向 钻孔无法 通坑道钻机进行 图6煤岩煤型顶板梳状定向钻孔布置 Fig .6 Dist r ibut io n o f c o mb-l iked ir ec t io n a l b o r e h o l e sin c o a l -r o c k-c o a l t y per o o f 成庄矿4226巷和4313-1巷之间存在煤体破碎 带，在4226巷施工梳状定向钻孔，主 煤层顶 跨 煤 体 ， 分 4313-1 和 4313-2 周 煤 体 行 抽 采 工 3 主孔，主 煤层中开孔30 m ,30〜 100 m 岩 层 ，100 m 开 工 分 煤 层 钻 2 周 20m 范围 ， 体积分 持在80以上， 抽采。为 0.8 /min。经6个月抽采，抽采区域平均瓦斯含量 降至6 m3/t以下，有 了 安全 掘进。 煤 - 岩 - 煤 型 梳 定 向 钻 技 术 煤 ， 布 应 主 层 应 岩、粉砂岩等成孔性较好的岩层中。 、泥岩 互层时，泥岩厚度应不大于0. 5 m,主孔倾角应保持 0〜10,分支点 50 m左右，分 角度降幅 应小于20。钻 工工艺采 式, 工 成 主 ， 钻 向 工分 5顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术 成庄矿整体呈单斜构造，局部存在小规模的断 层、凹陷及隆起，造成煤体 布上出现波 ，在煤层 象，导致抽采负压损 失,降低瓦斯抽采率。 难题，提出了顶 抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术，即在煤层 中施工排采 定向钻孔, 工抽采 f 梳状定向钻孔，如图7所示。 向煤层施工 分 ，与煤层孔交叉，使2 向的钻孔在 实 -气流场联通，煤层孔排 ，降低了煤 层 压力， 高效抽采 提供了有利 件。 图7顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔布置 Fig .7 Dist r ibut io n o f c o mb in ed c o mb-l iked ir ec t io n a l bo r eh o l es o f g a s d r a in a g e o n t o p a n d w a t er d r a in a g e a t b oto m 成 庄 矿 5313 工 工 1 组 抽 气 - 底 排 组合式 梳 定向 钻 ， 煤层 计 357 m， 计 831 m， 工 5 分 煤层 抽 采 133d ， 平 均 钻 抽 采 为0. 062 4 m3/min,煤层孔累计出水1 343 m3后开 抽出瓦斯，较好 了煤层凹陷积水区域的瓦 抽采 I。 16 - 工矿自动化 45 6结论结论 1 顺层递进模块式抽采技术利用定向钻机施 工距离长、定位精准的特点，通过长时间、大范围抽 采及与巷道掘进循环递进，实现了回采煤量和抽采 煤量的良性接替。 2 顶板高位定向钻孔抽采技术具有抽采距离 长、钻孔有效利用率高、钻孔层位稳定、瓦斯浓度高、 抽采率高等特点，能够有效治理采空区瓦斯，减少上 隅角瓦斯集聚。 3 煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术在煤 层段开孔后，将主孔布置在成孔性较好的砂质顶板 中，在主孔跨越柔软破碎煤体后再施工分支孔进入 煤层，达到了跨越破碎煤体掩护下一阶段巷道掘进 的目的。 4 顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术 在煤层中施工积水排采钻孔，在顶板施工瓦斯抽采 钻孔。顶板孔向下施工分支孔进入煤层，与煤层孔 交叉，使上下2个方向的钻孔在空间上实现水-气 流场联通，煤层孔排水降压，顶板孔抽采瓦斯，较好 地解决了煤层积水区域瓦斯抽采问题。 5 成庄矿通过不断现场实践，形成了针对实 体煤层的顺层递进模块式抽采技术、针对“U”型通 隅角 集 高 定向钻 抽采技 术、针对破碎煤层的煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔 技术、针对煤层积水情况的顶抽气-底排水组合式 梳状定向钻孔技术，建立了基于定向钻进技术的综 合立体瓦斯抽采模式，矿井瓦斯抽采率达60 以上。 参考文献References 1 肖东辉，苏军康，斯蒂夫芬奇，等.定向钻进孔底马 达工具面向角变化规律分析煤炭科学技术， 2016,44增刊 1109-113. 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