定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０４􀆽 ０３ 作者简介刘利平１９７１ － ꎬ男ꎬ山西兴县人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿瓦斯治理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ００７ 定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用 刘利平 阳泉煤业集团有限责任公司 通风部ꎬ山西 阳泉 ０４５０００ 摘 要阳煤集团发挥定向钻机长钻孔定向钻进及钻孔轨迹的精准控制的技术特点ꎬ在下属各矿井推广应 用定向钻机长钻孔对采空区瓦斯、大区域超前瓦斯及煤巷条带顺层瓦斯进行治理ꎬ取得了明显成效ꎮ 关键词定向钻机ꎻ瓦斯治理ꎻ抽采效率 中图分类号ＴＤ７１２. ６２ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ００２２􀆽 ０２ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｉｇ ｉｎ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＬＩＵ Ｌｉ􀆽 ｐｉｎｇ Ｔｈｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｙａｎｇｑｕａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬＹａｎｇｑｕａｎ ０４５０００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＹａｎｇｍｅｉ Ｇｒｏｕｐ ｔａｋｅｓ ｆｕｌｌ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙꎬ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｌｏｎｇ ｈｏｌｅ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｏａｆ ｇａｓꎬａｄｖａｎｃｅｄ ｇａｓ ｉｎ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ａｎｄ ａｌｏｎｇ ｓｅａｍ ｇａｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｏａｄｗａｙ ｈａｓ ａ￣ ｃｈｉｅｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇꎻｇａｓ ｃｏｎｔｒｏｌꎻｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 阳煤集团下属煤矿分布在阳泉、太原、临汾、晋 中、忻州、朔州六个地区ꎬ阳泉矿区煤层地质构造复 杂、透气性差ꎬ属于典型的低渗碎软突出难抽煤层ꎬ 是我国自然灾害最严重的矿区之一ꎮ 近年来ꎬ伴随 矿井开采深度的增加ꎬ治理瓦斯难度渐渐增大ꎬ抽、 掘、采平衡衔接日益紧张ꎬ严重影响矿井的安全高效 开采ꎬ成为制约企业安全发展的瓶颈ꎬ而定向钻机钻 进简单、操作方便、适用性强ꎬ在煤矿瓦斯治理中发 挥着非常显著的效果ꎮ １ 阳煤集团矿井概况 阳煤集团下属矿井主要分布在沁水煤田ꎬ属于 近水平煤层ꎬ 自上而下共含煤层 １５ 层 １ 号 １５ 号ꎬ现主采 ３ 号、１５ 号煤层ꎬ局部可采 ６ 号、 ８ 号、９ 号、１２ 号煤层ꎮ 煤层瓦斯压力为 ０. ２５ ２. ３ ＭＰａꎬ瓦斯含量 １４. ７５ ２６. ７３ ｍ３/ ｔꎬ透气性系数 ０. ０１７ ０. １５ ｍ２/ ＭＰａ２􀅱ｄꎬ普氏系数 ｆ ＝ ０. １ ０. ８ꎬ矿井相对瓦斯涌出量 １６ ４６ ｍ３/ ｔꎬ绝对瓦斯涌 出量 １５０ ５８０ ｍ３/ ｍｉｎꎮ 集团现有高瓦斯矿井 ９ 座、煤与瓦斯突出矿井 １０ 座ꎬ高瓦斯矿井瓦斯来源邻近层约占 ８５％ 以上ꎬ 煤与瓦斯突出矿井瓦斯涌出量邻近层、本煤层各占 约 ５０％ꎮ ２ 定向钻机主要技术原理及特点 定向钻机成套装备主要由定向钻机、孔底螺杆 马达、高强度钻杆、随钻轨迹测量系统等构成ꎮ 随钻 轨迹测量系统能够实现钻进过程中随时测量钻孔倾 角、工具面向角、方位角等主要参数ꎬ实现钻孔轨迹 的随钻动态显示ꎬ方便钻孔施工人员随时掌握钻孔 施工情况ꎬ并根据穿岩穿煤情况及时驱动孔底螺杆 马达调整工具面方向和钻孔工艺参数ꎬ确保钻孔尽 可能地按照设计轨迹延伸ꎬ并根据煤层瓦斯赋存ꎬ对 钻孔进行多分支孔施工ꎬ具有钻进成孔率高、钻孔用 途广、树状集中抽采等特点ꎮ ３ 定向钻机在瓦斯治理中的应用 ３. １ 定向长钻孔采空区瓦斯治理 ３. １. １ 定向钻孔设计 坪上矿 ８２１６ 工作面走向长度 ９８０ ｍꎬ倾向长度 １８０ ｍꎬ定向钻孔布置位于煤层顶板 １６ ４５ ｍꎬ控制 工作面回风侧倾向长 １/３ꎻ钻孔设计深度 ５５０ ｍꎬ水 平面上距回风巷 １３. ５ ｍ、２７ ｍ、４０. ５ ｍ、５４ ｍꎬ垂直 面上距煤层顶板 １６ ｍ、２８ ｍ、３８ ｍ、４５ ｍꎮ ２２ 成成果果应应用用 总第 ２５２ 期 ３. １. ２ 定向钻孔抽采效果 如图 １ 所示ꎬ当 ８２１６ 工作面回采过程中ꎬ受工 作面采动影响ꎬ距工作面切巷 ５００ ｍ 处的 ２ 号钻场 回采至距钻场 ３２０ ｍ 位置时钻孔瓦斯浓度最大达到 ４５％图 １ꎬ回采至距钻场 ３１０ ｍ 位置时抽采纯量 最大达到 １２. ２５ ｍ３/ ｍｉｎꎬ回采至距钻场 ３００ ｍ 位置 抽采混合量最大达到 ４５. ２ ｍ３/ ｍｉｎꎬ累计抽采瓦斯 ２４０ 万 ｍ３ꎮ 通过钻场顶板高位定向长钻孔抽采ꎬ回 采工作面上隅角瓦斯浓度下降明显ꎬ由抽采前最高 值 ０. ６８％ 降低至 ０. ２％ ０. ３５％ 之间ꎬ生产期间瓦 斯影响停机次数降低 ６０％ 以上ꎬ有效保证了工作面 高效回采进度ꎮ 图 １ ２ 号钻场瓦斯抽采效果 ３. ２ 定向长钻孔大区域超前瓦斯治理 ３. ２. １ 定向钻孔设计 在开元公司 ９７１３ 工作面进风巷及辅助进风巷 钻场中施工梳状定向钻孔如图 ２ꎬ单孔设计深度 ６００ ｍꎬ每 ４０ ６０ ｍ 开设一个分支孔进入目标煤层ꎬ 然后沿煤层钻进ꎬ钻孔间距 １０ ｍꎬ直接在煤层中布 置ꎬ困难时把主孔布置于目标煤层底板 ５ ｍ 以下层 位ꎬ相当于底抽巷的作用ꎮ 图 ２ 钻场梳状钻孔平面布置 ３. ２. ２ 定向钻孔施工 如图 ３ 所示ꎬ通过在目标煤层底板 ５ ７ ｍ 施工 定向钻孔主孔ꎬ主孔间距 １０ ｍꎬ设计孔深 ６００ ｍꎬ到 达煤层位置时每隔 ６０ ８０ ｍ 在主孔内开一个分支 孔进入煤层ꎬ从而达到对采区两翼进行大面积区域 瓦斯治理的目的ꎮ 图 ３ 定向钻孔钻孔剖面示意 ３. ２. ３ 定向钻孔抽采效果 开元公司 ９７１３ 工作面进风巷及辅助进风巷设 计长度均为１ ８００ ｍꎬ净宽５. ２ ｍꎬ钻场布置在巷道开 口位置的轨道运输巷ꎬ设计 １１ 个钻孔保护两巷掘 进ꎬ于 ２０１８ 年 ４ 月开始施工钻孔、并网抽采ꎬ根据两 巷开展定向钻孔区域瓦斯治理的抽采情况ꎬ汇总各 钻孔抽采数据ꎬ见表 １ꎮ 表 １ 钻孔抽采数据汇总 孔号孔深/ ｍ负压/ ｋＰａ浓度/ ％混合量/ ｍ３􀅱ｍｉｎ－１纯量/ ｍ３􀅱ｍｉｎ－１累计抽采量/ ｍ３􀅱ｍｉｎ－１ １ 号１９２１９. １６６.４０.７４０.５０９１ ９６０ ２ 号１５３１９. ０５４.５０.８２０.４４７５ ００７ ３ 号５４５１９. ２６４０.６１０.４０１５９ ５８０ ４ 号５６７１９. ２７１.５０.５００.３６２７５ １４５ ５ 号５７９１９. ４６５.５０.４８０.３０２９９ ０６２ ６ 号５７１１９. ５８５.２０.３２０.３１２３９ ２８９ ７ 号６１０１９. ０７６０.５５０.４０２５６ ６７４ ８ 号５８７１９. ２８０.４０.４５０.３５１１２ ７６５ ９ 号５７６１９. ５６７.２０.３５０.２４１３９ ４３３ １０ 号５５１１９. ２７４０.３２０.２２１２９ １７５ １１ 号６００１９. ０８５.５０.４００.３５１６９ ４０６ 由表 １ 数据可知ꎬ单个定向钻孔平均抽采浓度 均达到 ５０％以上ꎬ平均抽采纯量 ０. ５ １ ｍ３/ ｍｉｎꎬ采 用底板梳状定向钻孔单孔抽采浓度高、抽釆纯量较 大、抽采衰减率低、抽釆效率高ꎮ 通过对开元公司 ９ 采区煤层两翼进行定向钻进大区域超前瓦斯治 理ꎬ预抽前该区域瓦斯含量平均 ９. ３ ｍ３/ ｔꎬ瓦斯压力 ０. ９６ ＭＰａꎬ抽釆 ３０ ｄ 后ꎬ煤层残存瓦斯含量实测最 大 ７. ５６ ｍ３/ ｔꎬ瓦斯压力 ０. ５９ ＭＰａꎬ实现了大面积整 体区域消突ꎬ有效保证了井下安全生产ꎮ ３. ３ 定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理 ３. ３. １ 定向钻孔设计 在新景公司 ３２１２ 工作面迎头布置施工顺层定 向条带钻孔见图 ４ꎬ钻孔每循环控制条带长度 ３００ ｍ 以上ꎬ控制巷道两帮轮廓线 ２０ ｍ 范围ꎬ布置 间距按实测抽采半径确定ꎬ一般为 ２. ５ ５ ｍꎬ钻孔 施工完毕后封孔长度不少于 １５ ｍꎮ 下转第 ７７ 页 ３２ ２０２０ 年 ８ 月 刘利平定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用 第 ２９ 卷第 ８ 期 ３ 自动化技术在机电设备中的应用探析 本节将结合上节提出的问题探析自动化技术在 机电设备中的应用ꎬ主要有自动化技术在提升机中 的应用ꎬ自动化技术在胶带运输机中的应用以及自 动化技术在监视系统中的应用ꎮ ３. １ 自动化技术在提升机中的应用 电力电子技术的发展和成熟ꎬ极大提高了提升 机控制系统的水平ꎬ变频技术等广泛应用于提升机 改造和生产中ꎬ变频技术可以有效解决机械惯性大ꎬ 运行速度快等带来的问题ꎬ进而使得提升机的运行 安全性和可靠性得到极大的提高ꎮ 随着传感器技术 与信息处理技术的发展ꎬ现在可以将提升机进一步 智能化ꎬ利用传感器感知外界信息ꎬ采集自身参数ꎬ进 而使得提升机具有一定的自我诊断能力ꎬ很大程度上 减少了系统的维护工作ꎬ不仅提高了提升机的效率ꎬ而 且降低了维护成本ꎬ进而使得生产成本显著降低ꎮ ３. ２ 自动化技术在皮带传输机中的应用 利用自动化技术实现胶带运输机的集中控制ꎬ 以解决运行过程中的偏差问题ꎬ进而可以提高胶带 运输机的可靠性ꎮ 利用外加报警装置等可以及时发 现胶带运输机出现的堵转、偏移等问题ꎬ及时发现问 题可以及时解决ꎬ进而防止问题扩大ꎬ保证生产活动 的有序顺利开展ꎮ ３. ３ 自动化技术在监控系统中的应用 随着图像识别等先进技术的发展ꎬ以及在煤矿 中的不断深入应用ꎬ监控系统由原来的信息采集逐 渐发展为集信息采集、故障诊断、故障报警与辅助决 策为一体的监视控制系统ꎮ 比如上文提到的皮带运 输机问题ꎬ可以利用图像处理技术ꎬ将高清摄像头采 集到的前后信息进行比较ꎬ便可以发现存在的堵转、 发热、打滑以及偏移等多个问题ꎬ而且可以及时发出 报警信息ꎬ较之以往靠摄像头采集ꎬ人工发现问题不 仅及时ꎬ而且可靠性更高ꎬ识别率更高ꎮ 随着自动化 技术的不断深化应用ꎬ矿山物联网技术必将更加成 熟ꎬ进而可以实现煤矿生产的高度集成化、开放性和 智能化ꎬ不仅可以提高煤矿的生产效率ꎬ而且可以提 高煤矿的生产的安全性ꎮ 自动化技术在煤矿机电设备中的应用会不断深 化ꎬ进而对煤矿的生产方式产生变革性的影响ꎬ将极 大的改变现有的煤矿生产模式ꎮ 自动化技术的不断 深化应用会极大的提高生产效率ꎬ进而提高中国煤 炭行业、煤炭企业在世界的竞争力ꎬ也会为中国的经 济发展做出应有的贡献ꎮ 参考文献 [１] 曾 苛. 自动化技术在煤矿机电设备方面的应用探微 [Ｊ]. 电子世界ꎬ２０１８１６８６ －８７. [２] 王 渝. 自动化技术在煤矿机电设备方面的应用分析 [Ｊ]. 现代工业经济和信息化ꎬ２０１８ꎬ８７６３ －６４ꎬ７５. [３] 柳向历. 自动化技术在煤矿机电设备方面的应用研究 [Ｊ]. 山东工业技术ꎬ２０１８１０８９. [４] 王 瑞. 自动化技术在煤矿机电设备方面的应用研究 [Ｊ]. 山西能源学院学报ꎬ２０１８ꎬ３１２３ －５. [５] 郝 田ꎬ马 腾ꎬ孔祥顺. 自动化技术在煤矿机电设备 方面的应用[Ｊ]. 山东工业技术ꎬ２０１８６７９. [责任编辑路 方] 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 上接第 ２３ 页 ３. ３. ２ 定向钻孔抽采效果 在 ３２１２ 工作面施工 ７ 个定向条带顺层钻孔ꎬ钻 孔最大深度 ３８４ ｍꎬ单孔平均抽采瓦斯浓度均在 ５０％以上ꎬ纯量平均约 ０. ３ ｍ３/ ｍｉｎꎬ其中 ３ 号、４ 号 钻孔的抽采累积量和日抽采量曲线如图 ５、图 ６ꎮ 图 ４ 定向顺层条带钻孔平面 通过对新景公司 ３２１２ 工作面瓦斯预抽ꎬ减少了 施工瓦斯治理工程巷道 ３４０ ｍꎬ掘进期间没有出现 工作面瓦斯超限现象ꎬ节约了生产成本ꎬ提高了生产 效率ꎬ保证了安全生产ꎮ 图 ５ 定向钻孔瓦斯抽采累积量变化曲线 图 ６ 定向钻孔瓦斯日抽采量变化曲线 下转第 ９６ 页 ７７ ２０２０ 年 ８ 月 李宏伟等自动化技术在煤矿机电中的应用探析 第 ２９ 卷第 ８ 期 ５ 结 语 ２１０４ 工作面过断层构造带ꎬ共用时 ４５ ｄꎬ平均 回采速度为 ２. ３ ｍ/ ｄꎮ 过断层群的难易程度不仅与 断层的落差、煤层的厚度、倾角、断层走向和工作面 的相对位置有关ꎬ还受综采设备的工作高度、顶底板 条件等因素限制ꎬ要综合考虑各方面因素ꎬ采取科学 合理的方法和措施ꎬ保证综采工作面快速安全通过 断层带ꎮ [责任编辑路 方] 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 上接第 ７３ 页因此ꎬ基于复采综放面围岩控制机 理ꎬ结合采场围岩应力和顶板运动规律ꎬ在绿色高效 生产的前提下ꎬ本文提出从加强支护和生产工艺改 进两个方面进行采场围岩控制ꎬ保证工作面安全正 常生产ꎮ １ 加强支护ꎮ 受临近采空区和空巷、煤柱等 影响ꎬ造成采场支承压力高ꎬ围岩应力集中明显等现 象ꎬ可以通过增加支护强度等方式达到控制围岩失 稳的目的ꎮ 具体可以通过提高综放支架初撑力和工 作阻力ꎬ集中应力区增加带帽点柱等ꎬ或采用其他辅 助措施进行加强支护ꎮ ２ 改进生产工艺ꎮ 针对复采综放面超前支承 压力较大ꎬ易造成工作面煤壁片帮、漏冒顶事故ꎬ放 顶煤支架需要及时带压移架ꎬ减少前方煤壁控顶暴 露时间ꎬ同时可以采取小循环短进尺快放煤生产工 艺ꎬ使工作面超前支承压力快速前移ꎬ避免高应力长 时间作用于悬空煤壁ꎬ造成工作面持续矿压现象异 常ꎮ ４ 结 语 １ 复采综放面受原两侧采空区回采扰动影 响ꎬ上覆岩层破断形成不连续、不规则、多裂隙的空 间赋存结构ꎬ不规则岩块经过回转、沉降、挤压形成 点或面接触式“砌体梁”结构ꎮ 由于顶板的不规则 断裂ꎬ造成采空区矸体密实程度不均匀ꎬ近工作面顶 板垮落变现出一定程度的倾斜ꎬ形成“砌体梁”接触 面挤压力源ꎮ 同时上软下硬顶板结构荷载传递至下 部坚硬直接顶岩层中ꎬ使其与直接顶岩层产生同步 运动ꎮ ２ 针对复采采场存在的围岩应力集中ꎬ来压 不规律ꎬ煤壁易片帮、漏冒顶等情况ꎬ通过提高综放 支架初撑力等加强支护措施和小循环短进尺快放煤 勤移架的改进生产工艺ꎬ解决了围岩控制难题ꎮ 参考文献 [１] 刘 畅ꎬ弓培林ꎬ王 开ꎬ等. 复采工作面过空巷顶板稳 定性[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０１５ꎬ４０２３１４ －３２２. [２] 谢生荣ꎬ李世俊ꎬ魏 臻ꎬ等. 综放工作面过空巷时支架 － 围岩稳定性控制[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０１５ꎬ４０３５０２ － ５０８. [３] 吴士良ꎬ刘思利. 综放工作面顶板运动规律及支架 － 围 岩关系研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１６ꎬ４４２１０４ － １０８. [４] 王 开ꎬ弓培林ꎬ张小强ꎬ等. 复采工作面过冒顶区顶板 断裂特征及控制研究[Ｊ]. 岩石力学与工程学报ꎬ２０１６ꎬ ３５１０２ ０８０ －２ ０８８. [５] 王平虎ꎬ陕建龙. 晋城矿区残留煤复采工作面顶板及煤 柱稳定性研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５８３７ － ４１ꎬ５９. [责任编辑路 方] 􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖􀥖 上接第 ７７ 页 ４ 结 语 阳煤集团下属矿井采用定向钻机抽采瓦斯技术 取得了显著成效ꎬ全年减少瓦斯治理工程巷道约 ３ ０００ ｍꎬ与普通钻机施工的钻孔相比瓦斯抽采纯量 提高了 ２ ３ 倍ꎬ为煤矿安全生产创造了有利条件ꎬ 极大地缓解了矿井抽、掘、采平衡衔接紧张现象ꎮ 但长距离定向钻孔在遇地质构造带时存在成 孔、护孔难的问题ꎬ仍需要不断积累总结瓦斯精准治 理技术经验ꎬ加强技术攻关ꎬ形成完整的瓦斯治理技 术体系ꎬ为煤矿安全生产保驾护航ꎮ [责任编辑路 方] ６９ ２０２０ 年 ８ 月 侯长青综放工作面过断层构造带开采技术探讨 第 ２９ 卷第 ８ 期