煤矿定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与应用.pdf

总第2 1 3 期 2 0 2 1 年第1 期 机械管理开发 M E C H A N I C A LM A N A G E M E N TA N DD E V E L O P M E N T ’M2 1 3 N o ．1 ．2 0 2 l 实践与应用 D o I l O ．1 6 5 2 5 ，j ．姐醢．c n l 4 1 1 3 4 触．2 0 2 1 ．0 1 ．0 6 4 煤矿定向长钻孑L 瓦斯抽采技术研究与应用 牛嘉野军 山西西山金城建筑有限公司，山西太原0 3 0 0 5 3 摘要以斜沟矿1 5 2 0 3 工作面千米钻机长钻孔瓦斯抽采技术为例，分析了钻孔负压、钻孔长度与瓦斯抽采量 的关系，发现千米钻孔中瓦斯抽采量随钻孔负压变化符合二次函数关系，而瓦斯抽采量、瓦斯浓度随时间的增 加逐渐衰减，百米钻孔抽采量随时间变化符合负指数变化规律，并确定了钻孔合理抽采负压。 关键词煤矿千米钻孔瓦斯抽采 中图分类号T D 7 1 2 ．6 2文献标识码A文章编号1 0 0 3 7 7 3 X 2 0 2 1 0 1 一0 1 4 9 0 3 引言 目前，高瓦斯矿井瓦斯治理问题日益突出，千米 钻机可以施工长钻孔进行采掘前预抽或者替代高抽 巷抽采综采工作面上隅角瓦斯，以解决生产中的安 全问题[ 1 - 3 ] 。西山煤电斜沟矿属近水平煤层，煤层整 体陛好，机械强度高，地质条件适合长钻孔钻进。因 此，结合斜沟矿地质条件和钻探施工经验，利用千米 钻机在斜沟矿1 5 2 0 3 工作面进行应用性试验。 1 定向长钻孔瓦斯抽采技术及装备介绍 千米钻机采用履带行走整体式的设计，带有随 钻测量定向钻进系统，随钻测量钻孔倾角、方位、工 具面等主要参数，同时可实现钻口钻孔参数、轨迹的 即时显示，便于及时了解成孔情况㈣。该钻机为电一 液驱动，采用孔底马达钻进，依靠高压水驱动，钻杆 不旋转，用定向钻进检测导线连接单元，快速检测钻 孔参数，实现钻孑L 轨迹的实测和控制。定向钻进系统 如图l 所示。 1 ．1 千米钻机施工封孔工艺 千米钻孔在钻进前要先施工长2 0m ，直径1 6 5 m m 的开口孔，然后向孔内安装管径1 0 0m m ，长度 1 2m 的P V C 管，在空口安装等径的钢管6m ，总长 1 8m ，接着在空口钉木塞并接管，利用泥浆泵向孔 内注入水泥砂浆封孑L ；钻进前还应以3 ．5M P a 的 水压连续测试其密闭性和承压情况。其工艺如图 2 所示。 1 ．2 钻进过程中的防突措施 在有高瓦斯和突出倾向的地点钻进，必须通过 卸压和引流来保证钻进环境的安全。钻进期间的压 力和瓦斯控制装置如图3 所示，其中喷出保护装置 最大承压2 0M P a ，其作用是在高压瓦斯或高压水喷 收稿日期2 0 2 0 一1 0 2 3 作者简介牛嘉野军 1 9 8 1 一 ，男，山西朔州人，本科，毕业于 太原理工大学供热通风及空调技术工程专业，现任西山煤电 金城建筑公司副总经理，研究方向为矿建工程。 封孔木塞一、j，，一钻f L ，，一P V c 管孔底木塞_ 、 封蓑嚣≥箧遂三云左云葱 h ㈠。h r _ 、一。厂1 一，一、一r 一、～厂- 、∽a 封孔钢管一1I [ _ _ _ j j j 捌2 i 2i 2i2 ．i ．2 ．iZ 搿 泄压一1 | 孬窆二一一 图2 千米钻孔封孔工艺图 一黼 T j 岬赇箱I 图3 防突装置示意图 出时自动卸压以保护钻机和人员的安全。钻杆的反 冲也起到卸压保护的作用。气水分离器可将喷出瓦 斯引入抽采管道，钻进回水和钻屑流入回水箱。 2 斜沟矿1 5 2 0 3 工作面概况 该工作面位于南一盘区 5 1 0m 水平，地面标高 9 9 4 ～10 5 3m ，底板标高4 3 0 。5 2 0m 。工作面煤层平均 厚度为5 ．5m ，走向长20 9 0m ，倾向长2 0 0m ，煤层倾 角5 0 。8 0 ，原始瓦斯含量为1 2 ．6 6m 3 ，t 。煤层层理发 育完好，工作面内煤层的顶底板岩性及煤层结构如 下页表1 所示。 3 千米钻孔布置 千米钻机施工地点选择斜沟矿1 5 2 0 3 工作面， 在工作面顺槽千米钻场内试验使用V L D 1 0 0 0 型定 向钻机施工顺层定向长钻孔。在1 5 2 0 3 工作面进风 万方数据 机械管理开发 j x g l k f b j b 1 2 6 m m 第3 6 卷 表1工作面内煤层顶底板情况表 顶底板 岩石名称 厚度 名称 ，m 岩性特征 煤 老顶细粒砂岩 8 ．5 灰白色，以石英、长石为主。 层 顶 直接顶砂质泥岩4 ．5 黑灰色，致密性脆，断口平坦。 底 板 直接底砂质泥岩 3 ．5黑灰色，致密性软，含植物根茎化石。 老底细粒砂岩 6 ．0 深灰色，以石英为主。 顺槽设计外宽1 8m 、深5m 、内宽9m 、高3 ．7m 的梯 形钻场，施工1 5 个长钻孔，钻孔深度在4 0 0 ～8 0 0m 之间，钻孔终孔间距1 0m 。钻场附近施工一个沉淀 池，以便排水。该钻场最终成孔1 5 个，总长68 0 0m ， 钻孔直径为1 1 3m m ，钻孔成孔图如图4 所示。 图415 2 0 3 工作面顺槽顺层定向钻孔成孔图 4 定向长钻孔瓦斯抽采效果分析 4 ．1 钻孔负压对抽采量的影响分析 通过改变钻孔抽采负压可以分析不同钻孔负压 对于抽采量的影响。为确定合理的负压值，选取了5 号、9 号、1 1 号钻孔进行分析，其中5 号钻孔深度为 7 7 7 m ，9 号钻孔深度为7 8 6 m ，1 1 号钻孔深度为7 8 0 m ， 孔深基本相同，因此选取上述3 个钻孑L 分析钻孔负 压对抽采量的影响。各孑L 瓦斯抽采纯量随抽采负压 的变化如图5 一图7 所示。 由图5 一图7 可知，随着负压的增大，钻孔抽采 瓦斯纯量也逐渐增加，但是达到某一负压值后逐渐 趋近于定值，其变化规律符合二次函数模型。通过对 以上三组数据的分析可知，5 号孔的最佳合理负压 值为2 0k P a ，9 号孔的最佳合理负压值为2 2 ．6k P a ， 1 1 号孔的最佳合理负压值为1 8 ．1k P a 。同样地方法 分析其他长度钻孔，最终得到理想负压范围为 1 8 ～2 3k P a 。 4 ．2 钻孔瓦斯浓度、负压及流量的关系 当负压基本稳定时，分析抽采瓦斯纯量、抽采瓦 斯混合量及瓦斯浓度之间的关系。通过分析，选取2 号、9 号、1 1 号孔为研究对象，考虑负压稳定，选择固 定负压下总计6 0d 的抽采情况。各孔固定负压下抽 采纯量、混合量、瓦斯浓度与抽采时间的关系曲线如 o 。C 量 宣 ≮ 口旺| 1 蠕 帐 是 图55 号钻孔瓦斯抽采纯量随抽采负压变化曲线 抽采负压，k P a 抽采负压，k P a 图711 号钻孔瓦斯抽采纯量随抽采负压变化曲线 图8 一图1 0 所示。 由图8 一图1 0 可知，同一负压下，钻孔瓦斯抽 采纯量、瓦斯浓度均随抽采时间逐渐衰减，瓦斯抽 采混合量也随抽采时间逐渐减小，但是降幅小于 瓦斯抽采纯量。 4 ．3 钻孔长度对瓦斯抽采量的影响 瓦斯抽采量的大小主要由煤层原始瓦斯含量和 图8 负压为12 ．5k P a 时2 号钻孔抽采瓦斯纯量、混合量、 浓度随时间变化曲线图 如钙∞撕如巧加“m 5 O m M他m傀嘶∞舵∞ 万方数据 2 0 2 1 年第1 期 牛嘉野军煤矿定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与应用 } ．曼 蛊 Z 暑 阍 斌 凑 培 J * 擐 兴 虹 图9 负压为1 0 k 2 。坐耋兰j 垃 三三斯纯量、混合量、浓 图113 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线 度随时间变化曲线图 ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯～一⋯⋯一⋯⋯⋯一 图10 负压为5k P a 时9 号钻孔抽采瓦斯纯量、混合量、浓 度随时间变化曲线图 残存瓦斯含量共同决定，同时钻孔瓦斯抽采量也与 孔内煤壁暴露面积有关，即与钻孔深度有关。将不同 长度钻孔瓦斯抽采量折算为百米钻孔瓦斯流量，分 析瓦斯流量与抽采时间的变化关系。选取3 号 钻孔 深度4 4 4m 、6 号 钻孔深度8 1 0m 、1 2 号 钻孔深 度5 8 8m 钻孔百米钻孔瓦斯流量为研究对象，作图 1 1 一图1 3 。 对图1 1 一图1 3 进行分析可得，不同钻孔深度 下钻孔初始瓦斯抽采量 口胡 和瓦斯抽采量衰减系数 口 的变化关系符合负指数关系，即 q 。 g 护母． 式中q ∞为百米钻孑L 瓦斯初始抽采量；q 。为￡时刻百 米钻孔瓦斯抽采量；口为钻孑L 瓦斯抽采量衰减系数；￡ 为钻孔瓦斯抽采时间。 对图1 1 一图1 3 各图分析还可得，钻孑L 瓦斯抽 采量衰减系数启在0 ．0 0 3 ／d ～0 ．0 0 5 ，d 之间，钻孔深度 越长，钻孔的初始瓦斯流量越大，瓦斯抽采量衰减系 数越小。说明千米钻孔可以有效增大钻孔深度，在煤 层中的扰动范围更大，进而增大瓦斯抽采量。 5 结语 1 钻孔负压对千米钻孔瓦斯抽采量的影响符合 二次函数规律，其合理抽采负压范围为1 8 。2 3k P a ； 2 抽采负压一定时，钻孔内瓦斯抽采纯量与瓦 图1 26 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线 图1 31 2 号钻孔百米钻孔瓦斯流量随抽采时间的变化曲线 斯浓度随抽采时间的增大呈负指数规律衰减，瓦斯 抽采混合流量降幅小于抽采纯量；钻孔深度越大，钻 孔瓦斯抽采初始量越大，钻孔瓦斯抽采量衰减系数 越小。 参考文献 [ 1 ] 石浩．大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用[ J ] ．煤炭科 学技术，2 0 1 8 ，4 6 1 0 1 9 5 2 0 0 ． [ 2 ] 李磊．定向长钻孔高效成孔技术在煤矿瓦斯抽采中的应用[ J ] ． 科技风，2 0 1 8 ，3 4 7 1 5 9 3 ． [ 3 ] 解波．高位定向长钻孔瓦斯抽采技术在钱营孜煤矿的应用[ J ] ． 能源技术与管理，2 0 1 6 ，4 l 1 9 7 9 8 ． [ 4 ] 许超，李泉新，刘建林，等．煤矿瓦斯抽采定向长钻孔高效成孔 工艺研究[ J ] ．金属矿山，2 0 1 1 6 3 2 [ 5 ] 姚宁平，张杰，李乔乔．煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 l l ，3 9 1 0 5 3 5 7 ． 编辑王慧芳 下转第2 4 9 页 5 O 5 O 5 O 5 0 ∞ ∞舵 陀叭 叭 ∞∞ 似／瑙装壕蛾 钙∞”∞筋加坫m，OM他m腿嘶∞吆∞ 零、越豢壕旧 钙∞“如笛加m，oH他m吣％∞眈∞ O 5 0 5 0 5 0 5 O∞∞∞睨∞叭叭∞∞ 万方数据 2 0 2 1 年第1 期苟建军“金工实习”课程思政教学设计 内容四数控加工。通过案例教学，与学生分享 数控大师梁兵不断进行数控技术创新和改进，突破 国外技术垄断，成功为兵器制造出合格“眼睛”的事 迹。培养学生勇于创新、精益求精的工匠精神。 内容五焊接。通过案例教学，为学生讲述李万 君夏天被焊枪射出23 0 0 。C 的烈焰炙烤、冬天在冷 水池子里焊接、最终成长为高铁焊接大师并积极出 书分享知识的职业精神【2 ] 。培养学生吃苦耐劳、注重 积累、乐于分享、共同进步的职业精神。 内容六热处理。通过案例教学，在讲解金属材 料在经过热处理后性能发生质变的内在原理时，以 物喻人，教会学生只有在经历挫折磨难的洗礼之后， 才能获得成长与进步的道理。让学生明白经历风雨 才能见彩虹。 内容七装配。通过案例教学，在实习作品装配 过程中，分享北斗卫星研发团队团结协作、最终取得 成功的故事，让学生明白无论机器、团队还是国家民 族，必须团结配合才能形成合力、取得成功。培养学 生团结协作的职业精神，铸牢中华民族共同体意识。 2 ．3 效果考核 除对实习过程、实习作品进行评级考核外，布置 撰写以“我的报国理想”为主题的实习感想，考核学 生在课程思政教育过程中的思想转变，并制作金工 实习课程思政教学效果调查问卷，以全体实习学生 为对调查对象，征集课程思政建设的意见建议，分析 思政建设效果，为金工实习课程思政建设的不断完 善奠定基础。 3 结语 通过课程思政建设，让学生在学好专业知识、具 备立身之技能的同时，建立起爱国、敬业、奉献的道 德认知体系，是高校落实好立德树人这一根本任务 的必由之路，在当前国家力推新课改、建设新工科的 大环境下，研究完善“金工实习”的课程思政教学体 系，优化“金工实习”课程思政教学设计。 参考文献 [ 1 ]张现磊，律静．应用型本科院校金工实习课程思政研究[ J ] ．现代 交际，2 0 2 0 1 1 1 5 3 1 5 4 ． [ 2 ] 陈仕国，胡立华，陈向文，等．金工实习课程思政元素发掘研究 [ J ] ．机械管理开发，2 0 1 9 4 2 3 4 3 5 ． 编辑王慧芳 I d e o l o g i c a la n dP o l i t i c a lT e a c h i n gD e s i g no f M e t a l w o r k i n g P r a c t i e e o u r s e G o uJ i a n j u n S c h o o lo fC o n u n u n i c a t i o n s ，I n n e rM o n g o l i aU n i V e r s i t y ，H o h h o tI n n e rM o n g o l i a0 1 0 0 0 0 A b s t r a c t B a s e do nt h e 如n d a m e n 诅lt a s k0 f “b u i l d i n gu pp e o p l eb yv i r t u e ”i nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s ，出i sp a p e r d e e p l ya n a l y z e sm en e c e s s i 哆a I l du 唱e n c yo fi d e 0 1 0 舀c a la n dp o l i t i c a lc o n s 协I c t i o no fm e t a l w o r k i I l gp r a c t i c ec o u r s e s ， d i s c u s s e st h et h i n k i n go fi d e 0 1 0 舀c a l 蚰dp o l 试e a lc o n s 咖c t i o nb a s e do ni n n o v a “v et e a c h i n gm e t h o d s ，e x c a v a t i n g i d e o l o 舀c a la n dp o l i t i c a le k m e n t s 肌dp e d ’e c t i n ga s s e s s m e n ta n de v a I u a t i o n ．I tp r o v i d e s an e ww a yf o rc 0 1 l e g e sa n d u n i v e r s i t i e st oo p t i m i z et h ed e s i g no fc o u r s ei d e 0 1 0 舀c a la n d p o H t i c a lt e a c h i n ga n dp r o m o t et h ep m c e s so fp r a c d c a l c o u r s ei d e o l o 舀c a la n dp o l i t i c a lc o n s t r u c t i o n K e yw o r d s m e t a l w o r k i n gp r a c t i c e ；c o u r s ep o l i t i c s ；t e a c h i n gd e s i 印 上接第1 5 1 页 R - e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fD i r e c t i o n a lL o n gD r i l l i n gG a sD r a i n a g e T e c h n o l o g yi nC o a lM i n e N i u j i aY e j u n S h a l l 】 【i Ⅺs h a nJ i n c h e n gC o n s t r u c t i o nC o ．，L t d ．，T a i y u a nS h a I l 】| 【i0 3 0 0 5 3 A b s t r a c t T h r o u g ht h e 叩p l i c a t i o no fg a sd I a i l l a g et e c h n 0 1 0 9 yi nt h ep l u m ek i l o m e t e rb o r e h o l e0 fw o r k i n gf 如ed r m 血g r i g ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb o r e h o l en e g a t i v ep r e s s u r e ，b o r e h o l el e n 殍ha n dg a sd m i n a g ei sa n a l y z e d ．I ti sf o u n d 出a t t } 1 eg a sd r a i n a 驴q u a n t i t yi nk i l o m e t e rb o r e h o l ec o r 】f b 珊st 0d l eq u a d r 撕c 五】n c d o nr e l a t i o nw i t hm ec h a n g e0 fb o r e h o l e n e g a t i v ep r e s s u r e ，w h i l et h eg a sd r a i n a g eq u a n t i t ya n dg a sc o n c e n n a t i o n 铲a d u a l l yd e c a yw i t l lt } l ei 1 1 c r e a s e0 f 石m e ．T h e e x t m c t i o nc a p a c i t yo f1 0 0b o r e h 0 1 ee x t r a e t i o nw i t ht i m ea c c o r d sw i t ht l l e1 a wo fn e g a t i v e 如d e x ，a n dm er e a s o n a b l e e x t r a c t i o nn e g a d v ep r e s s u r eo fb o r e h o l ei sd e t e m i n e d ． K e yw o r d s c o a lm i n e ；k i l o m e t e rd r i l l i n g ；g a sd r a i n a g e 万方数据