VLD型定向钻机在沙曲矿瓦斯抽采中的应用.doc

摘要 多年的现场实践表明, 瓦斯抽采是灾害治理和资源利用的根本性 措施之一 。 沙曲矿自 2005年开始引进 VLD-1000型定向钻机, 在突出煤层 中实施区域预抽及掘进预抽, 取得了显著成效 。 实践表明, 定向钻机对于消除 煤层突出危险性, 提高瓦斯抽采量及抽采效率, 确保矿井安全高效开采起到 了关键作用, 该项技术具有良好的推广应用前景 。 关键词 定向钻进 VLD-1000型钻机 瓦斯抽采 沙曲矿为高瓦斯及具有煤与瓦斯突出危险的矿井,隶属于山西 焦煤集团华晋焦煤有限责任公司, 位于吕梁山脉中段西部, 河东煤田 中部, 行政区划属山西省吕梁市柳林县管辖 。 为加大瓦斯治理力度, 沙曲矿于 2005年引进澳大利亚 VLD-1000型定向钻机,开展了长 期的本煤层长钻孔预抽瓦斯试验研究 。 1VLD-1000型钻机的主要特点 1.1电 -液驱动的操作功能 钻机通过 90kW 电机 电压1140/660V, 频率50Hz 驱动 3台 液压泵 主泵 、 高压泵 、 辅助泵 实现各自的功能, 最小推力 拉力 为 150kN 。 钻机在压力为 30MPa 时力矩最大, 低速旋转时为 3048Nm , 高 速旋转时为 2286Nm , 其旋转速度可在 200600r/min低速大力矩 与 2501200r/min高速小力矩 之间进行无级调节 。 1.2采用孔底马达钻进的钻进能力 钻机采用孔底马达钻进, 无需钻杆旋转 。 孔底马达靠高压水 煤 层施钻压力为 22.8MPa, 岩石施钻压力为 3.54.1MPa 驱动, 钻进 速度为 05m/min, 回收钻杆时速度为 020m/min。 采用孔底马达钻进, 减少了钻杆与孔壁的摩擦阻力, 因而, 该钻 机在较小动力损失的情况下具有超过 1000m 的钻进能力 。 目前, 沙 曲矿瓦斯抽采钻孔施工长度大多在 500m 左右 。 1.3定向功能 定向功能可绕过已探明的地质构造, 确保成孔质量 。 孔底马达弯 头偏角为 1.3, 每施工一根钻杆倾斜 1.3, 理论上施工 100m 钻 孔最大偏移角度为 43。 在沙曲矿实际施工中, 100m 最大偏移角 度为 20, 轨迹呈弧形, 如图 1所示 。 1.4钻进检测导线连接单元 钻机装备有先进的定向钻进检测系统, 由孔底测量单元 、 孔外计 算机 、 专用钻杆及安装于钻杆中间的永久测量连接导线组成, 测量过 程约 5s , 测量精度为垂直角偏差 0.2, 水平角偏差 0.5。 ① 孔 底测量单元长 2650mm , 外径 70mm , 质量 52kg , 通过非磁性铜 铍短钻杆与普通定向钻杆连接 。 ② 孔外计算机每 3m 测量一次, 根 据测试所得的方位角 、 弯头方向 、 下行轨迹 、 左 /右偏差 、 上 /下偏 差 、 时间及日期 、 仰角 /俯角 、 孔深等孔内参数, 自动绘制钻机运行轨 迹在水平及垂直平面上的投影图;钻机司机可根据偏差情况及时调 整弯接头方向, 以期使钻进轨迹最大限度的符合设计要求 。 孔外计算 机可存储 615组测量数据,利用红外线 U 盘将数据提取带至地面, 以 Excel 电子表格形式存储在计算机上, 可方便地进行数据分析 。 ③ 专用测量钻杆为 N 系列钻杆,带有 φ96mm 的金刚石复合片钻 头 。 钻杆外径为 70mm , 内径为 61mm , 长度为 3000mm , 质量为 25.9kg , 钻杆中心安装有永久电缆 。 2定向钻机在瓦斯抽采中的应用 2.1钻机在区域预抽中的应用 沙曲矿 4号煤层为煤与瓦斯突出煤层, 煤层厚度为 2.34.3m, 平均瓦斯含量为 10.89m 3/t, 钻孔流量衰减系数为 0.020820.04356d-1, 煤层透气性系数为 1.31462.9962m2/MPa 2d , 属于可以抽采煤 层 。 为防止煤与瓦斯突出以及瓦斯超限等问题, 在 24207回风巷布 置钻场,利用 VLD1000型定向钻机向 24208采煤工作面施工区域 预抽钻孔, 如图 2所示 。 钻场每隔 100m 布置一组, 每组钻场施工 510个钻孔, 可贯穿 24208采煤工作面的可采长度, 从而消除目标 区域内的抽采空白带 钻场之间的三角形空白区域采用小型钻机施 工短钻孔来弥补 。 自 2009年 10月开始施工 1区域第一个钻场, 目前已施工完成 6个钻场 、 47个钻孔, 覆盖区域达 2.48105m 2, 解放煤量 1.07Mt 。 平 均瓦斯抽采速度为 12.2m 3/min,截至 2010年 10月,共抽采瓦斯 6.85106m 3纯量 。 按照 4号煤层平均瓦斯含量 10.89m 3/t计算, 已 抽采该区域 43.38的瓦斯, 煤层瓦斯已得到充分释放 。 2.2钻机在掘进预抽中的应用 沙曲矿 14203轨道巷掘进工作面断面为 42.5m , 共施工 3个 钻孔, 设计长度为 400m 。 预抽时间为 67天, 1、 2、 3钻孔瓦斯纯量 分别为 49664、 51683、 55381m 3,累计抽采瓦斯纯量达 156728m 3, 单孔平均抽采纯量为 52243m 3, 平均纯瓦斯量为 0.6m 3/min。 3个钻 孔节流为 25mmH2O , 负压为 3050mmHg, 浓度为 5090, 充 分体现了预抽钻孔低节流 、 高负压 、 高浓度的特点 。 掘进预抽结束后, 采用综掘机掘进巷道, 月进尺达 390m 。 在掘 进过程中, 严格进行预抽效果检验, 均未发现突出危险, 瓦斯涌出数 据见表 1。 以掘进进度为横坐标,回风瓦斯浓度 、 瓦斯涌出量为纵坐标绘 图, 如图 3所示 。 由图 3可以看出, 到第一阶段掘进结束, 瓦斯浓度均在 0.8以 下,从未出现瓦斯超限现象 。 需要说明的是, 14203轨道巷右侧为 14202工作面采空区, 一部分瓦斯已提前释放, 这也是瓦斯浓度较低 的影响因素之一 。 现场实践表明, 通过大孔径 、 长钻孔 、 长时间预抽后, 掘进工作面 VLD 型定向钻机在沙曲矿瓦斯抽采中的应用 孙亮 杜志峰 贺竞雄 华晋焦煤有限责任公司 掘进进度 /m 100 205 300 回风瓦斯浓度 / 0.20 0.40 0.60 瓦斯涌出量 /m3.min-1 0.80 1.60 2.34 表 114203轨道巷掘进过程中瓦斯涌出数据表 矿山天地 24208工作面 24207 工作面 摘要 煤矿开采过程中会产生大量的粉尘, 粉尘不仅使劳动条件恶化, 危害 工人身体健康, 降低设备的使用寿命, 达到一定的浓度时, 还会发生煤尘爆炸等 恶性事故 。 本文根据工作实际, 对降低采掘工作面防尘措施进行相关的探讨 。 关键词 采掘工作面 粉尘浓度 降尘 0引言 随着大截深 、 大功率 、 大运输量机械化采煤设备的使用, 以及随 着采区的延伸, 工作面巷道运输距离的加长 、 转载点的增加, 使得工 作面空气中粉尘的含量居高不下 。 同时随着放顶煤工艺的应用, 在顶 煤放落和支架前移的过程中产生的煤尘, 又大大加剧了煤尘浓度 。 煤 矿开采过程中会产生大量的粉尘, 粉尘不仅使劳动条件恶化, 降低作 业地点生产人员视线, 危害工人身体健康, 影响设备的正常运转, 降 低设备的使用寿命; 达到一定的浓度时, 还会发生煤尘爆炸等恶性事 故,给职工人身安全造成严重的威胁 。 煤矿主要产尘源是采掘工作 面, 其中尤以综采综掘工作面产尘浓度最高, 在不采取任何措施的条 件下, 综采综掘工作面的粉尘浓度均可达 10003000mg/m3。 因此, 研究适合我国煤矿井下采掘工作面生产技术条件的高效降尘系统, 降低采掘工作面粉尘浓度,对于保障煤矿的安全生产和保护作业人 员的身体健康均具有十分重要的意义 。 1地质概况 西北某矿区矿井煤炭资源较丰富,有可采及局部可采煤层 8层, 煤层倾角 3747。 井田内各煤层顶底板均为不稳定顶底板 。 根 据地质报告提供资料, 井田内的煤尘火焰长度 400mm , 岩粉量 50, 各煤层煤尘均有爆炸性 。 根据地质报告提供, 井田内各煤层原 煤空气干燥基水分 M ad 在 1.5514.87之间, 浮煤空气干燥基 水分 M ad 含量在 1.5215.20之间, 属低 、 中水分煤 。 本矿井在 450m水平相对瓦斯涌出量为 26.41m 3/t,绝对瓦斯涌出量为 65.02m 3/min, 矿井的瓦斯涌出量较大 。 矿井瓦斯等级为高瓦斯 。 2降低采掘工作面粉尘浓度的措施 矿井采掘工作面采取综合防尘措施主要有掘进工作面主要消 除爆生粉尘, 应采取湿式凿岩 、 喷雾洒水 、 选择适当的局部除尘系统 、 风流净化 、 机械捕尘 、 个体防护等综合防尘措施; 回采工作面采取煤 层注水 、 采空区灌浆 、 喷雾洒水 、 通风除尘 、 个体防护等综合防尘措 施; 对装载点 、 卸载点 、 煤流运输 、 储存等产生粉尘地点, 采用喷雾洒 水 、 控制风速 、 清扫冲洗 、 水幕隔爆等综合防尘措施 。 2.1采煤工作面防尘 采煤工作面,尤其是综采放顶煤工作面是 矿井人员设备集中 、 尘源多而粉尘浓度大的工作场所 。 对于综采放煤 系统,其原始瞬时总粉尘浓度高达 8000mg/m3一般机采约 5000 6000mg/m3 , 严重污染作业环境 。 上述尘源有的随时移动 象采煤机割 煤 、 移架 、 放煤 , 不能用机械密封方式罩封, 并且这几个尘源又都处于 主风流中易于扩散, 是治理的难点 。 减少产尘量主要采用以下措施 2.1.1合理选择采煤机截割机构的结构参数和工作参数 采煤机截 割煤体, 是最大的产尘源 。 合理选择采煤机截割机构的结构参数和工作 参数, 对抑尘有很大作用 。 截齿的类型 、 尺寸 、 数量 、 锐度 、 间距 、 截割速 度 、 截割深度 、 牵引速度都与产尘量有密切关系 。 截齿选型应以煤的性质 和煤层条件为依据 。 对裂隙较发育的脆性硬煤, 镐形齿比刀形齿产尘少; 裂隙不发育的硬煤, 刀形齿比镐形齿产尘量少得多 。 夹矸多的煤层适宜 用重型截齿 。 采用数量较少并保持锋利的截齿, 产尘量小, 反之则产尘量 大 。 滚筒叶板的螺旋角越大, 越易扬尘, 螺距越小, 产尘量越多 。 截割速度 、 截割深度 、 牵引速度三个工作参数密切相关, 应综合 选择加快牵引速度, 同时降低滚筒转速 截割速度 , 可选出单位产 尘量最低的最佳匹配值 。 滚筒慢转速, 截齿粗齿化, 能减少产尘量, 加 大截割深度, 同时加快牵引速度, 可在很大范围内降低单位产尘量 。 加大截割厚度, 同时降低滚筒转速, 可取得单位产尘量最低的效果 。 2.1.2采煤机高压喷雾降尘 采煤机是回采工作面产尘最大且 最难控制的尘源 。 由于其随时移动并处于风流之中, 粉尘易于扩散飞 扬, 目前国内外普遍用内外喷雾来实现降尘 。 我国采煤机内喷雾降尘 效果一般不太理想, 现有的外喷雾效果亦较差, 粉尘浓度仍然很大而 污染环境 。 其主要原因是压力低 ≤ 3.5MPa , 喷嘴喷口直径大 一 般 1mm 。 而本矿井要求采煤机采用高压水喷雾,喷雾压力为 5.5MPa , 耗水 160L/min, 喷头喷口直径较小, 使其具有雾粒细 、 射程 远 、 涡旋强度大 、 荷电性能强等优点, 可大大提高降尘效果 。 2.1.3液压支架移架和放煤口自动喷雾降尘 在液压支架上安 装喷雾控制阀, 当降柱和放煤时, 通过支架的液压系统输送给控制阀 液压信号, 控制阀水路开启实现喷雾降尘; 移架和放煤过程中继续喷 雾, 当升柱和关闭放煤时, 支架的液压系统又输送给控制阀信号, 关 闭水路停止喷雾, 从而实现放煤和移架的自动喷雾降尘 。 其降尘率可 达 74以上 。 另外, 前些年推广应用的带顶移架, 减少了顶梁上方的 碎石垫层, 减少尘量约 80。 2.1.4煤层注水防尘 根据地质报告, 本矿井煤层采用注水方式 进行防尘 。 煤层注水方式是指钻孔长度 、 位置和方向的概念, 一般分 为长孔 、 短孔 、 深孔和巷道注水等四种注水方式 。 根据本矿煤层赋存 的特点, 采区巷道的布置方式 、 采煤方法等情况, 并借鉴其它矿井的 实际经验, 设计采用长孔注水方式 。 在工作面回风顺槽中平行于工作 面向煤体打长钻孔注水, 钻孔沿煤层均匀布置, 钻孔口布置在巷道中 距底板 1.5m 左右处 。 2.1.5含尘风流控制除尘 采煤机组与液压支架选定后, 工作面 的断面有一定的范围和相应的风速 。 从工作面防尘出发, 有一最佳排 尘风速, 其值的大小随煤体水分 、 采煤机工况和采取其它降尘措施的 不同而异 。 一般认为采煤工作面最佳排尘风速 1.41.6m/s, 采取防 尘措施后, 可增加到 22.5m/s。 采煤工作面是一个尘源多又分散的 工作场所, 必须对整个工作面实施综合防降尘措施, 才能够使整个工 作面的粉尘浓度有效地降低 。 2.2掘进工作面防尘 掘进工作面配备矿用高压远程强雾灭尘 设备, 可以根据放炮时的冲击波自动延时打开供水系统, 产生大量强 雾化水灭尘 。 井下钻爆掘进工作面使用的凿岩机及煤电钻均应采用 湿式钻眼,其降尘率为 6090。 使用水炮泥的降尘率可达到 8090, 同时还可降低炮烟量及空气的有害气体 。 3结束语 针对采掘工作面产尘的具体原因,通过综合防治技术的全面实 施, 有效地降低了粉尘浓度的产生, 从某种程度上改变了矿工的井下 作业环境 。 虽然我国在粉尘防治方面取得了很大进步, 新技术 、 新工 艺 、 新方法 、 新设计 、 新产品 、 新材料不断推出, 但与现场需求还有差 距, 相关技术人员应重点研究物理化学防尘技术和实用新型除尘器, 以使我们的除尘系统向系统化 、 大型化 、 智能化 、 节能型方向发展 。 参考文献 [1]煤炭科学研究总院重庆研究所 . 矿井粉尘译文集 [M].北京煤炭工业 出版社, 1981. [2]王开松, 李武 . 综采工作面的煤尘综合防治 [J].煤炭科学技术 .2005年 1月 . 对降低采掘工作面粉尘浓度的认识 艾克拜尔 艾孜子 新疆煤炭设计研究院有限责任公司 实现了在消除突出危险和低瓦斯状态下的连续掘进,为以后实现无 突出 、 低瓦斯状态下远距离掘进 、 提高掘进进尺, 奠定了良好的基础 。 3结束语 VLD-1000型定向钻机在沙曲矿区域预抽及掘进预抽中的成功 应用, 对于消除煤层突出危险性, 提高瓦斯抽采量及抽采效率, 确保 矿井安全高效开采起到了关键作用 。 定向钻进技术具有良好的推广 应用前景, 但其前提是, 必须及时提高钻机操作人员的技术水平 。 参考文献 [1]李晋生, 张跃兵 .VLD 深孔定向千米钻机在大宁矿井的实施工艺及应 用 [J].矿业安全与环保, 2009, 36增刊 102-104. [2]卫永清 . 千米钻机在突出煤层掘进预抽中的应用研究 [J].山西煤炭, 2008, 283 19-20. 矿山天地 上接第 207页 208