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长钻孔施工技术治理瓦斯问题的提出

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2020年4月19日
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长钻孔施工技术及瓦斯 预抽技术的研究与实施
鹤岗矿业集团有限责任公司

鹤矿集团当前有9个生产矿井,煤炭设计生产能力1685万吨, 实际生产原煤1562万吨。9个生产矿井中,有3个煤与瓦斯突出矿井,有2个高瓦斯矿井,有1个低瓦斯高管矿井,有3个低瓦斯矿井。 集团公司瓦斯绝对涌出量308.27立方米/分钟。在 是公司最大的一年,达到338.3立方米/分钟,单井最大绝对瓦斯涌出量南山矿为119.7立方米/分钟,采煤工作面绝对涌出量最大为48.5立方米/分钟,掘进工作面瓦斯涌出量最大为7立方米/分钟。
当前,全公司共有45套瓦斯抽采系统,抽采能力达到了3271立方米/分钟。其中有5个矿建地面固定抽采系统6套,抽采能力为871立方米/分钟。除新岭矿外,其它8个矿井有井下移动抽采系统39套,抽采能力达到2400立方米/分钟。 共抽采瓦斯4900万立方米。
一、长钻孔抽采技术治理瓦斯问题的提出
鹤矿集团公司开采的煤层,75％为厚煤层,且瓦斯含量高、易自燃,开采工艺主要以放顶煤为主,因此开采时瓦斯涌出量大,非常容易造成采煤工作面上隅角和回风流瓦斯超限,威胁采煤工作面的安全生产。对这样的工作面,有的采取了穿层钻孔、顺层孔等预抽措施,有的采取了上隅角埋管或插管、仰斜钻孔、走向高位孔等边采边抽措施,收到了一定的效果。
但由于是老矿区,建井时间早,原来的设施老化及原有的巷道布置等已不适应当前生产的需要,因此生产接续一直是很紧张,新区掘送出来后就要开采,预抽煤层瓦斯的时间较少,这样就影响了预抽煤层瓦斯的效果,开采时还要继续采取边采边抽等治理瓦斯措施。为了解决这样的问题,对长钻孔的瓦斯抽放技术进行了专题研究。
二、长钻孔瓦斯抽放研究内容及研究场所
(一)研究内容
由于鹤矿集团公司高瓦斯易自燃厚煤层多,为了治理瓦斯,需要沿煤层顶板掘送专用排瓦斯尾巷,在施工预抽煤层瓦斯钻孔时还存在塌孔、顶钻等问题,造成钻孔施工难度较大。因此,对长钻孔瓦斯抽放确定了以下的研究内容。
(1)厚煤层放顶煤开采过程中,利用长钻孔替代回采工作面的顶板瓦斯抽放巷道,减少巷道掘进成本,提高瓦斯抽放的技术水平和抽放效果,保证工作面安全回采。
(2)长钻孔的定向施工技术与配套技术研究,定向钻进技术和配套设施,钻孔的实际运行轨迹在设计允许偏差内,保证回采工作面瓦斯的安全有效的抽放。
(3)防止钻孔在回采工作面超前压力的影响下钻孔壁出现崩裂、堵孔等技术和措施,保证瓦斯正常抽放。研究防止卡钻现象发生,减少经济损失。
(4)抽放长钻孔在回采工作面顶板或本煤层的层位与平面位置布置参数研究,使瓦斯抽放效率高,抽放阻力小。钻孔个数、布置参数等问题进行优化研究,保证在达到瓦斯抽放效果的前提下,使钻孔个数与总长度最小。
(二)研究场所
由于南山煤矿是高突矿井,主要开采15号煤层、18号煤层,两个煤层都是高瓦斯易自燃厚煤层,开采过程中瓦斯涌出量大,在全公司具有代表性,因此把研究场所确定在南山矿的盆底区15号煤层南一段、北二段。
南山矿及采区概况:南山矿为突出矿井, 瓦斯绝对涌出量100.47立方米/分钟,相对瓦斯涌出量15.27立方米/吨。 核定矿井生产能力320万吨/年,通风能力352万吨/年,通风采用多翼对抽出式通风,3处主要通风机供风,矿井风量23350立方米/分钟。
主采煤层15号煤层瓦斯含量11.2立方米/吨,煤厚10米左右;18号煤层瓦斯含量12.2立方米/吨,煤厚12米左右。煤层透气性系数0.766~1.558毫达西。1983年7月18日在二水平m机道揭18号煤层时发生煤与瓦斯突出,突出煤量627吨,瓦斯量11800立方米。
盆底区南翼一段位于盆底区南部,区段走向780米,倾斜长150米,煤炭储量130万吨。该区段15号层和18号层均为突出危险煤层。
三、长钻孔抽放和穿层孔抽放的实施
为了有效提高瓦斯预抽效果,实现消除突出危险和有效治理瓦斯的目的,提出了采用底板岩石巷施工穿层短钻孔抽放方式和穿层长钻孔本煤层抽放方式相结合的立体抽放技术。
(1)穿层钻孔预抽防突技术。在该区段15号层底板岩石巷布置钻场,在钻场内向15号层布置穿层钻孔。钻场间距一般为50米,每个钻场15~40个钻孔,钻孔布置为上下两排,终孔位于煤层顶板,间距15米,钻孔直径75毫米。钻孔布置原则要使钻孔均匀控制该区段煤层。
在该区段共布置20个抽放钻场,495个抽放钻孔,钻场位置及钻孔参数见图1。钻孔抽放浓度平均为70％,单孔瓦斯抽放纯量为0.009~0.012立方米/分钟,截止到开采前 7月4日共抽放瓦斯355.1万立方米,瓦斯预抽率为37％。

图1 南翼15号层一分段外延面短钻孔钻场布置图

(2)长钻孔预抽防突技术。为了有效提高瓦斯预抽效果,实现消除突出危险和有效治理瓦斯的目的,在试验区段设置2个长钻孔钻场进行瓦斯抽放,分别为南一段钻场、北二段入风反上钻场,具体布置见图2。使用ZY-300型全液压钻机钻孔,开孔直径108(113)毫米,终孔直径94毫米。

图2 南翼15号层一分段外延面、北二段入风反上300钻钻场布置图

北二段入风反上钻场的钻孔布置方法:在标高-195米的盆底区二分段的入风反上,二分段采面对角线为中心呈扇型朝二分段采面打长钻孔,钻孔没计角度3°~15°。孔深120~300米,孔径φ94毫米,孔数18个,孔口之间的距离350毫米,两孔之间水平夹角6.5°,沿煤层走向布孔,该孔尽可能与煤层的夹角小,以保证钻孔煤的长度最大。
北二段入风反上钻场布置钻孔28个,单孔最大瓦斯流量0.15立方米/分钟,抽放时间为 10月8日至 12月10日,共计抽放瓦斯95.8万立方米。钻孔抽放参数表1。

四、结论
(1)每个钻场的预抽时间在19个月内较好,最佳抽放时间在10个月内,抽放时间过长,总体抽放量下降。
(2)钻孔垂直角度以上向8°~15°度为最佳。
(3)经过认真准备和科学施工,普通钻机在一定条件下能够钻出近300米的长钻孔,为本煤层预抽瓦斯提供了很好的解决手段。
(4)长钻孔抽放能够在距煤层较远的巷道内布置、走向或穿层钻孔抽放,能够减少岩巷的掘送工程量和提前预抽的目的。
(5)长钻孔孔径大、流量大,在采煤工作面瓦斯涌出量小于10立方米/分钟时,能够布置顶板走向岩石高位孔代替顶板瓦斯尾巷。