高位定向长钻孔抽采技术在上隅角瓦斯治理中的应用.pdf
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1、2023年第9期西部探矿工程*收稿日期:2022-09-16修回日期:2022-09-28作者简介:李栋龙(1984-),男(汉族),山西吕梁人,工程师,现从事煤矿安全管理工作。高位定向长钻孔抽采技术在上隅角瓦斯治理中的应用李栋龙*(太原市宏宇煤炭技术咨询有限公司,山西 太原 030000)摘要:为了更好地解决曹家山矿井下采空区瓦斯超限问题,本文以80105工作面为工程背景,基于理论分析和公式计算明确了定向高位钻孔的空间位置,并经现场实践分析长距离定向高位钻孔和定向顺层钻孔的瓦斯抽采效果。实践结果表明:80105工作面施工高位定向钻孔抽采浓度29.5%69.2%,单孔混合量4.97.2m3/m
2、in;80103工作面施工定向顺层钻孔抽采浓度15%52.3%,单孔混合量0.3680.815m3/min,体现显著的社会与经济效益,保证矿井的安全生产。关键词:高位定向长钻孔;钻孔轨迹;瓦斯治理中图分类号:P634 文献标识码:B 文章编号:1004-5716(2023)09-0123-03随着矿井开采深度的增加,瓦斯赋存量越来越大,瓦斯含量和瓦斯压力越来越高,掘进期间的瓦斯涌出量也不断增大,严重影响了矿井的安全生产。目前矿井除利用通风方式稀释巷道采掘空间内涌出的瓦斯以外,需要利用抽采的方式解决煤层瓦斯,但受煤层赋存状况影响,煤层赋存起伏不定,倾角变化大,普通履带钻机因无定向钻进功能,钻孔往
3、往无法按设计轨迹进行施工,存在空白带,给瓦斯治理带来困难。长距离定向钻孔可控制钻孔轨迹,使钻孔到预定位置,与常规钻机相比,定向钻机可以根据煤层赋存起伏随时对钻孔角度进行调整,且施工距离长,确保瓦斯治理效果。本文以曹家山矿为研究对象,采用长距离定向钻孔技术治理15105、80105采煤工作面上隅角瓦斯,通过现场实测的方法分析长距离定向钻孔的瓦斯抽采效果。1矿井概况曹家山矿位于山西吕梁柳林县城东南7km处曹家山村一带,井田面积8.45km2,设计年生产能力90104t,可采煤层共有开采4#、8#、9#煤层,80103工作面现主要开采8#煤层,煤层平均厚度5.9m,平均倾角4。矿井绝对瓦斯涌出量85
4、.77m3/min,综采工作面绝对瓦斯涌出量47.21m3/min,为高瓦斯矿井,且煤层透气性差,钻孔瓦斯抽采浓度衰减快,抽采难度大;为此研究提出采用定向钻进工艺,主要解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题。1.1工作面地质概况80103 工 作 面 长 约 2750m,倾 向 长 度 约 200m。DBF4正断层位于工作面,走向 210、倾向 120、倾角50,落差25m。构造影响范围内出现煤层松软,裂隙发育,顶板岩石破碎、煤岩层产状变化较大、瓦斯涌出异常等现象。80105 工作面位于矿井东北部,西起 80105 轨道巷,东至井田边界510575m处,北距井田边界最小距离247m,南部为80103
5、工作面采空区,其保护煤柱为8m;80105工作面2101010m推进范围内南侧为其工作面采空区;80105工作面周边无其他采掘工作面分布。80105工作面煤层赋存稳定,煤层厚度4.65.6m,胶带运输顺槽厚于轨道运输顺槽,平均厚度4.6m,煤层结构简单,无夹矸发育,煤层稳定可采4。1.2煤层瓦斯赋存情况从曹家山矿8#煤层瓦斯地质图可知,预计该巷所在8#煤层范围内瓦斯含量在4.06.0m3/t,瓦斯压力为0.30.4MPa,根据15110两条顺槽掘进期间瓦斯涌出情况预计,80103胶带顺槽掘进期间绝对瓦斯涌出量2.7m3/min,相对瓦斯涌出量0.68m3/t。8#煤层透气性系数为0.0890.
6、094m2/(MPa2d),小于0.1m2/(MPa2d),属较难抽放煤层。80105工作面处于白羊岭向斜东北翼,整体形态以单斜为主,北高南低,东高西低,地势开阔,上覆基岩覆盖厚度变化较大。工作面内8#煤层埋深560627m,工作面最深部位于停采线位置,距离白羊岭向斜轴部最小距离为8m,地应力高,围岩的透气性低,有利于瓦斯保存,瓦斯含量较大;工作面最浅部位于开切眼中部,1232023年第9期西部探矿工程瓦斯含量相对较小。瓦斯含量变化规律也呈现出整体上变化较小,局部变化较大的特点5。2高位定向钻孔设计2.1工作面覆岩“两带”高度确定工作面开采后,根据覆岩受采动破坏程度,自下向上岩层可依次划分为垮
7、落带、裂隙带、弯曲下沉带,其中垮落带和裂隙带合成为“两带”。覆岩“两带”高度主要与工作面覆岩岩性、采厚及开采方式有关。结合曹家山矿80105工作面地层钻孔柱状分析可知,80105工作面15号煤层直接顶及基本顶主要以泥岩、灰岩、砂质泥岩为主;直接顶和基本顶厚度之和接近40m,选用中硬覆岩条件下的“两带”高度计算公式进行计算。因此高位钻孔高度Hz应满足下列条件:HmHzHl80105 工作面煤层厚度为 4.55.1m,平均厚度4.8m,计算得垮落带高度 Hm=9.614.6m,裂隙带高度Hl=16.529.5m;因 此 高 位 钻 孔 高 度 取 值 为:14.629.5m。2.2长距离高位定向钻
8、孔横向间距设计根据采空区瓦斯“O型圈”流动理论,煤层开采后覆岩裂隙自采空区中部向煤工作面两顺槽侧煤壁转移,采空区中部会被重新压实,在采空区周边会形成连通的离层裂隙发育带。将长距离高位定向钻孔布置在裂隙发育区域,通过抽采经裂隙场向上运移的采空区及上隅角瓦斯,降低工作面瓦斯浓度。根据上述分析,在进行高度定向钻孔设计时,钻孔在高度方向上需按裂隙带发育范围设计参数,在钻孔水平方向上需根据工作面采矿地质条件确定。根据80105工作面采矿地质条件,分析确定将高位钻孔布置在距巷帮1030m范围内6-7。2.3钻孔布置通过对长距离高位钻孔终孔位置理论计算及水平位置分析确定,并结合80105工作面顶板不同岩层的
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