板瓦斯抽放水平长钻孔的设计与应用.doc
第36卷第1期 2008年 1月 煤炭科学技术 COALSCIENCEANDTECHNOLOGY V01.36No.12008 Jan. 煤层顶板瓦斯抽放水平长钻孑L的设计与应用 孙荣军,石智军,吴璋 (煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安710054) 摘要为了更高效地抽放煤层覆岩裂隙及离层的瓦斯,对煤层顶板水平长钻孔的层位选择,参数确定,布置形式,钻场的设计要求,钻机、钻杆、钻头的选择以及钻进工艺参数的合理控制进行了试验研究。试验证明走向长钻孔的抽放效果很大程度上取决于钻孔所处的层位,只要保证钻孔在工作面采空区的裂隙带延伸,.并采用合理的钻进工艺参数,尽量延长有效抽放长度和采取有效的抽放参数,就能取得理想的抽放效果。这可以解决上邻近层和采空区的瓦斯抽放问题。关键词煤层顶板;瓦斯抽放;水平长钻孔中图分类号TD712 文献标志码A 文章编号02532336(2008)01003804 Designandapplicationofhorizontallongboreholeforgasdrainageinseamroof SUN 一- Rong-jun,SHIZhi-jun,WU Zhang 710054,China) ’(Xi'an Research Institute,ChinaCoalResearchInstitute,Xi,an AbstractInordertion on to hi【shefficientlydrainthegasfromtheoverburdencrackingandseparatedlayersabovetheminingseam,atestselec- theselectionofthelayerselection,parametersettled,layout,designrequirememofthedrillingsite,drillingmachine,drilling rod,drillingbit,aswellconducted.Thetheboreholeal test astherationalcontrolof。thedrillingtechnicalparametersforthehorizontallongboreholedrillingintheseam on was resultsshowedthatthegasdrainageresultofthestrikelongboreholewouldbehighlydependent zone stratalocationof location.Oncetheboreholeinthecracking extended al'ea andwiththerationaldrillingtechnicalparameters,theration- drainageresultscouldbeobtainedwiththepossiblelongerofthegasdrainagelengthandtheeffectivedrainageparameters.Thegas strata drainageproblemsinthetopadjacent Keywordsseam andgoaf can besolved. roof;gasdrainage;horizontallongborehole 利用顶板水平长钻孔进行瓦斯抽放,不但能抽放回采过程中受采动影响区域的瓦斯,降低工作面瓦斯浓度,解决工作面瓦斯超限问题,而且能抽放后期采空区的瓦斯,使采空区大量瓦斯得到回收利用,带来可观的经济效益和社会效益。. 1 1.1 达到一定的范围后,导气裂隙的分布在平面上呈O形圈特征(图1),它是正常回采期间临近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。 顶板水平长钻孔的设计思想 顶板采动影响“三带”划分 采场覆岩移动规律的理论分析表明,覆岩 (a)纵断山J图图1 (b)平面图 ~ 导气裂隙带的0形圈特征分布示意 的移动破坏,在竖直方向上通常划分为三带,即冒 1.2采动影响区顶板瓦斯流动规律 煤层开采后,顶板瓦斯流动和分布可根据受采动影响的岩石运动规律分为一区三带,即采空区、冒落带、’裂隙带和弯曲下沉带(图2)。每个带由于瓦斯来源和流动规律的不同,其瓦斯量和浓度也 落带,裂隙带,弯曲下沉带。裂隙带又可划分为严 重断裂带、一般断裂带和微小断裂带。煤层开采后,覆岩的裂隙及离层的分布状态将对瓦斯的流动产生很大的影响。离层裂隙是瓦斯积聚的空间,也是瓦斯流动的通道。层间贯通的竖向裂隙是瓦斯进入工作面或采空区的通道,也称导气裂隙,其最大发育高度和密度与采高和岩性有关。当采空区面积 38 有差异。采空区瓦斯主要来源于工作面煤层、煤壁 和顶煤释放的瓦斯。受工作面通风的影响,瓦斯随着风流方向移动,’大量瓦斯在上隅角和支架后围聚 万方数据 孙荣军等煤层顶板瓦斯抽放水平长钻孔的设计与应用 集,该部分高浓度瓦斯成为安全生产的最大隐患。 _=三萄乔菰菥,鼍三一 煤层进风巷采空区刚风巷 图2采空区顶板岩层卸压区分布 冒落带的瓦斯包括部分采空区瓦斯和邻近层释放的瓦斯,同样受到通风条件和解吸压力的影响,瓦斯被空气大量稀释并不断向上聚集。 裂隙带因离层裂隙通过竖向裂隙相互贯通,成为瓦斯聚集和流动的主要通道,在大面积采空区形成后,导气裂隙带呈0形圈特征(图1),该区瓦斯分布也同样遵循0形圈特征;瓦斯量和浓度在水平上呈周围向核心升高的趋势旧o;同时根据气体压差流动规律,核心位置在靠近工作面附近会向回风侧偏移;在采空区封闭后,冒落带和裂隙带瓦斯都趋于向上聚集,并偏向中心,呈壳形分布特点。该区域成为高浓度瓦斯的大量聚集区,虽然对回采工作面的安全威胁不大,但是会成为临近工作面瓦斯大量涌出的隐患。对该区域瓦斯进行生产性抽放,不但能解除安全隐患,同时抽放出的大量高浓度瓦斯可以加以利用。 弯曲下沉带离层裂隙缓慢发育,竖向裂隙发育较少,也称为微裂隙区L3j。随着采空区搁置时间的推移,1邻近层或围岩释放的瓦斯会在该区聚集,这二区域瓦斯一般不会向采空区流动,不会直接影响生产安全.但是从长远安全考虑也会成为隐患。该区分布的瓦斯几乎是纯瓦斯,但量相对较少,且微裂隙的发育给抽放也带来一定的困难。1.3煤层顶板水平长钻孔的设计 1.3.1 钻孔的层位选择 顶板水平长钻孑L主要抽放裂隙带、部分采空区以及受采空影响的上覆邻近层的瓦斯。根据上述覆岩移动规律和瓦斯流动规律,裂隙带是邻近层瓦斯和冒落区瓦斯的主要聚集区,有大量、高浓度瓦斯,同时裂隙发育充分,是抽放瓦斯的最佳层位。具体的讲冒落带上部、裂隙带中下部是布置高位钻孔的最佳区域。另外,要保证钻孑L的抽放效果,首先应保证成孔和后期钻孔的完整性,钻孔布置层位选择时必须考虑岩层的稳定性和成孑L性在考虑采 万方数据 2008年第1期 用顶板水平长钻孑L抽放瓦斯之前,要对主采煤层上覆岩层进行分析,并分别确定不同分区的范围,估算各区瓦斯涌出量;然后根据瓦斯涌出量大小,分析是否采用顶板水平长钻孔进行抽放,并确定钻孔的有效布置区域;最后通过对有效区域内岩层性质 和成孑L性的分析,尽量使钻孔在相对稳定层中布置和延伸;同时由于涉及到抽放成本的问题,应避免单纯考虑最佳抽放效果的做法。1.3.2钻孔参数的确定 若只从抽放效果和生产效率出发,会提倡采用大直径长钻孔。但是对钻孔的深度和直径的确定,要综合考虑地层条件抽放要求和设备能力。 地层条件是确定钻孔参数的主要依据,抽放要求和设备能力可根据地层条件进行调整。‘在地层具备打深孑L的条件下,可相应提高抽放要求和选择适当的钻进技术施工深孔,如推进长度为1000‘m的工作面,为使钻孔覆盖整个工作面,可设计一组长 800~1000 In的钻孔。如果地层条件复杂,钻进成 孔性差,根本不具备长钻孔施工条件,要根据实际 情况调整设计参数,确定更合适的钻孔长度。 , 钻孔的直径越大,瓦斯渗透面积越大,抽放效果越好,但在实际中,应综合考虑瓦斯含量、抽放周期和施工成本问题。目前水平长钻孔的设计孑L径主要有113,133,153,193mm。其中先导孔一般采用113mm的钻头成孔,如需要扩大孑L径就要用相应规格的扩孔钻头扩孔,增加工序和施工成本。因此建议在实际生产中,可首先因地制宜的通过采用不同孔径钻孔进行抽放效果对比和分析,选择最经济有效的钻孑L直径。1.3.3钻孔的布置形式 1钻孔的参数确定后,’根据工作面布置条件和抽放要求进行合理的钻孔布置是保证钻孔取得良好抽放效果的前提条件之一。以走向长1000矗、宽 200 nl的工作面为例;若顶板岩石完整、成孔性 好,钻孔设计深度为8001000 m,可在回采终采 线前10m左右的位置,从回风巷道向顶板设置仰斜穿层抽放巷。钻孔的平面布置呈小扇形分布,经验证明应覆盖靠近回风侧1/2的工作面或更多,这样钻孔在回采过程中能尽快起到抽放作用,并保证钻孔具有瓦斯抽放量大和抽放周期长的特点。钻孔的间距一般不小于1m,并有一定的夹角,,,有利于 保证孔口密封和防止串孔。若顶板岩石稳定性誊 39 2008年第1期 煤炭科学技术 第36卷 如含有膨胀或松软泥岩成分,这样钻孔布置时应尽量避开该层,钻孔不宜设计太深,可根据情况设计回风巷斜钻孔进行补充,布置形式如图3所示。 运输集 由 巷 图3顶板水平长钻孔的布置形式 1.3.4钻场的设计要求 水平长钻孔施工对钻场的设计尺寸和现场布置形式有一定的要求。首先应规划现场布置形式,并根据设计钻孔数量、间距选择合理的钻场尺寸,合理的钻场空间和现场布置形式有利于保证施工进度和安全。以采用MK一7型钻机进行施工为例,钻场平面尺寸以5 m8 m以上为宜。目前长钻孑L施 工多采用高压循环水进行排粉和冷却钻头,钻孔孔径较大,一般达153mm以上,且钻孔深度一般在 300 m以上,循环水要求有足够的压力和流量才能 满足排粉要求,因此要求配备泥浆泵供送循环介质,这样就要设置足够大的循环水池,对于孔深 300 m以上的钻孑L,循环水池一般以大于3m3为 宜。对于水平长钻孔施工,钻孔过程中排除岩粉的量比较大,以直径113mm的孑L为例,300m钻孔的排粉量大于3m3,因此要根据现场实际情况考虑岩粉的倒运问题。 2水平长钻孔施工设备的选择 2.1钻机的选择 在选择用于井下施工的钻机时,除了考虑钻机的外形和搬迁便利外,更重要的是根据钻孔的设计思想和施钻地层情况合理地选择钻机。水平长钻孔施工要求钻机具有大扭矩和大给进起拔能力。煤炭科学研究总院西安研究院研制的ZDY4000S,ZDY6000S(MK一6)ZDY8。。000000s(MK一7)全液压钻机,具有回转扭矩大、给迸起拔能力强、岩层适应性强、起下钻速度快的特点,主要性能参数见表1。近年来在水平长钻孔施工中得到了广泛应用。 其中ZDY蛳ss(MK一7)钻机,其设计钻进能力 为1 000 m,该钻机在陕西铜川陈家山煤矿本煤层 施工的最高记录是865111,此外该钻机还在沈阳红菱、铁法小青、七台河新兴等煤矿的顶板水平长钻 40 万方数据 孔施工中得到应用,并取得了良好的应用效果。 表1 水平长钻孔施工常用钻机型号及主要参数 2.2钻杆的选择 长钻孔施工要求钻杆除具有传压、传扭的常规功能外,还要具有较强的抗拉、抗扭变形的能力。用于随钻测量的钻杆还要求钻杆具有足够大的通径,保证测量仪器能从钻杆中通过,一般选择高强度外平钻杆。钻杆直径应与钻头直径或设计钻孔直径常用的匹配参数见表2。 表2水平长钻孔施工钻杆与钻头常用匹配 2.3钻头的选择 煤系地层以泥岩、砂岩居多,岩石普氏系数一般在8以下,因此常用的钻头主要有硬质合金钻头和金刚石复合片(PDC)钻头。硬质合金钻头容易加工,成本低,使用寿命短,用于岩石普氏系数在6以下的浅孑L施工;对于较硬岩石的长钻孔施工,为避免频繁更换钻头,一般选择金刚石复合片(PDC)钻头;如果地层中含有少量火成岩或石英岩,最好采用保径效果较好的胎体式复合片钻头。2.4其他配套机具的选择 水平长钻孔施工还需要配置用于供送钻孔循环液的泥浆泵和钻孔轨迹测量仪器等配套机具。常用的泥浆泵有BW一250型和BW一320型泥浆泵,可根据钻孔深度、钻孔直径和岩石情况进行选择。 3钻进工艺 3.1 钻进工艺参数的合理控制 钻进工艺参数主要是指钻压、转速和冲洗液 孙荣军等煤层顶板瓦斯抽放水平长钻孔的设计与应用量,三者在一定条件下相互影响,其中尤以钻压和转速对钻孔轨迹的影响更为明显。 在近水平钻孔的钻进过程中,钻压不仅决定钻头切削刃切入岩石的深度和速度,而且还决定着钻杆在孔内弯曲强度的大小,从而影响钻进速度和钻孔轨迹。转速大小决定钻头切削岩石的频率和钻具在孔内的运动状态,在硬岩中钻进,转速对钻孔轨迹的影响不大,高转速进尺快、钻头磨损也快。因此,应选择合理的转速;在软岩中钻进,高转速使钻头切削下侧岩石的频率增加,容易使钻头产生向下的趋势。冲洗液量的控制主要根据钻孔深度、孔内岩粉量和岩粉颗粒大小合理选择,保证钻头切削的岩粉能及时的排除,避免岩粉在孔内堆积,影响钻进速度和成孑L质量。 在煤系地层中钻进经常遇到软硬互层、泥岩破碎带、泥质夹层等复杂地层,这时应根据地层变化灵活地凋节钻进工艺参数。3.2钻孔轨迹控制卜。 目前在我国煤矿井下广泛应用的是由稳定器和普通钻杆组成的稳定组合钻具。通过试验和分析认为采用组合钻具对钻孔轨迹进行控制主要取决于靠近孔底的前20m钻杆柱上的稳定器的排列位置。对于水平孔来说,为达到控制钻孔方向的目的,必须在前端钻杆柱上配置35个稳定器,根据各稳定器的不同位置,即可产生相应的向上、向下或保直钻进的控制力。 一般来讲,若要使钻孔上斜,可将第一个稳定器配置在靠近钻头的位置上,第二个稳定器则应配置在远离第一个稳定器的位置,这样在钻进过程中,在靠近钻头的稳定器的支撑作用下,充分利用第一个稳定器后部钻具的自重,并在回转和给进力的作用下,使钻头具有一定的上翘趋势,更容易切削孔底上部岩层,从而使钻孔产生上仰的趋势;反之,则使钻孔产生下斜的趋势。 若想使钻孔轨迹尽量保持钻进方向,就必须使前20m长的钻杆柱尽可能地保持平直,在钻进过程中,钻头后部的稳定器尽可能等间距布置,且因其直径接近钻头直径,整个钻具达到了满、刚、直的要求,并通过控制给进压力和转数,使钻头在孔底均匀地切削孔底岩石,保持钻孔既有的延伸方向。随着钻探技术的进一步发展,采用孔底马达随钻测量技术将成为将来钻孔轨迹控制的主要方向。 万方数据 2008年第1期 4应用实例 4.1 沈阳红菱煤矿嗡1 该矿为立井多水平分区式开拓矿井。矿井绝对 瓦斯涌出量为67.53m3/min,属于高煤与瓦斯突出矿井。采用高位抽放巷、近水平钻孔和穿层钻孔进行邻近层和采动区抽放方式。2004年lO月试验采用ZDYloo”oo。S(MK一7)型钻机进行顶板水平长钻孑L施工,并研究采用顶板水平长钻孔替代闭式高抽巷的可行性。施钻区域地层以粉砂岩、细砂岩、中砂岩、泥岩和底砾岩为主,在砂、泥岩分界处夹有煤层。钻场布置在回风巷尾端的仰斜高抽巷,钻场与主采煤层顶板垂距为1520m,每个钻场施工23个走向长钻孑L。期间共完成5个钻孔,最大孔深339m。通过对抽放效果的观测,单孔抽放纯量最高达9.1m3/rain,平均纯量5.6 m3/min; 抽放浓度最高达95%,平均浓度48%;平均抽放周期为3~4个月。抽放效果比回风巷斜钻孔抽放好很多,而且抽放量较稳定、抽放周期较长;通过和闭式抽放巷的抽放效果对比,34个钻孔的抽放效果基本相当于一个同样长度的抽放巷。4.2铁法小青煤矿 2005年5月小青煤矿采用zDY8。O。咖00sS(MK一7)型钻机在W2705薄煤层刨煤工作面进行顶板水平长钻孔的施工,该工作面的瓦斯平均涌出量22 26 m3/min,最大达到36.9棚3/min,顶板岩石为泥 岩、粉砂岩、细砂岩互层,以泥岩、细砂岩为主。钻场距主采煤层顶板垂距20~25m,完成钻孔5个,最大钻孔深度446m。封孔抽放后,随着W2705工作面回采推进,其中4个钻孔从8月14日开始陆续起到了抽放作用,最高抽放纯量9.214m3/min,平均抽放纯量4.2m3/min;最高抽放浓度87%,平均抽放浓度74%。截至11月1日,5个水平长钻孔累计抽放天数104d,累计抽放瓦斯62.9万m3,基本达到预期效果。4.3七台河新兴煤矿 2006年3一月新兴煤矿采用zDY8lO000000 sS(MK 一7)型钻机进行顶板水平长钻孑L施工,施钻区域煤层顶板岩石为粉砂岩、粗砂岩、细砂岩分层,岩石完整,成孔性较好。钻场距主采煤层顶板14m (下转第94页) 41 2008年第1期 煤炭科学技术 第36卷 (上接第4l页) 左右,钻场设计3个钻孔,设计孑L深700m,孔径 153 参考文献 [1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州中国矿业大学出版社,2003(10). 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