近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工技术_张百颂.pdf

近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工技术张 百 颂（平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，河南 平顶山 467000）摘要：为解决近距离煤层群保护层开采过程中工作面瓦斯超限问题，本文提出近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工技术。根据工程概况的分析，通过钻孔技术进行瓦斯抽采施工：合理规划布置钻场；基于煤层高度计算公式设计钻孔施工参数；根据煤层重新压实区域参数确定钻孔位置；通过钻孔的方位角与倾角控制钻孔轨迹；采用两堵一注模式封孔。工程验收结果表明：本次施工共钻孔 54 个，预期数据曲线与实际瓦斯抽采浓度数据曲线重合度较高，验证本次施工效果较好。关键词：近距离保护层；煤层群；开采截流；钻孔施工中图分类号：TD712.6文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0018-04Construction technology of cut-off drilling for mining protection layer of close coal seam groupZHANG Baisong(Pingdingshan Tianan Coal Industry Co.,Ltd.Exploration Engineering Office，Pingdingshan467000，China）Abstract:In order to solve the problem of gas overrun in the working face during the mining of the protection layer of the close coal seamgroup,this paper puts forward the construction technology of intercepting and drilling in the mining of the protection layer of the close coalseam group.According to the analysis of the general situation of the project,the gas drainage construction is carried out through the drillingtechnology:reasonably plan and arrange the drilling site;The drilling construction parameters are designed based on the calculation formula ofcoal seam height;Determine the drilling position according to the parameters of the recompaction area of the coal seam;The drilling trajectoryis controlled by the azimuth and inclination of the borehole;Adopt two plugging and one injection mode to seal the hole.The projectacceptance results show that there are 54 boreholes in this construction,and the expected data curve and the actual gas extractionconcentration data curve have a high degree of coincidence,which verifies that the construction effect is good.Key words:close protection layer；coal seam group；mining closure；drilling construction0引言在煤矿的开采过程中，存在很多不稳定的危险元素，其中瓦斯所带来的灾害逐年攀升，防治难度也逐渐增大。为了保障煤矿开采的安全，需要对近距离煤层群保护层进行开采，这样做的目的就是让保护层得到充分泄压，从而使煤层群中的瓦斯进行流动，避免瓦斯突出事故。当下我国有众多学者对煤层瓦斯的抽采技术进行了研究，赵维国等人通过探讨渗透率对煤层瓦斯抽采的影响，提出了低透气性煤层泄压增透方案 1。王建伟利用控制变量法，协调了低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题 2。因此，本文现有方法的基础上进行分析，对近距离煤层群保护层的瓦斯抽采技术进行重点研究，希望可以为煤矿瓦斯防治提供实践依据。1工程概况本次近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工的地点为平煤股份五矿己 15-23270 机巷，该煤矿地表地面是山地丘陵，没有大型的建筑物存在，且根据地质资料以及实际环境的分析，己 15-23270 机巷地质结构简单，施工期间无断层现象，不会遭受水体侵害。煤层群保护层开采工作面己 15-23270，处于己三下延采区东翼下部，采面南边存在 2 个回采过的采面，北边是没有开采过的区域，东边距离矿井边界线 20 m 远，西边邻接北山工业广场的已组保护煤柱线。在掘进施工时受到采动影响，己 16-17 卸压瓦斯大量涌进施工区域，造成瓦斯超限，为了保障煤矿开采工程的安全，实施瓦斯抽采施工刻不容缓。2近距离保护层底板截流钻孔施工工艺2.1布置钻场为了保障本次钻孔施工的安全，首先需要科学合理地规划布置钻场 3。考虑到己 15-23270 采面的瓦斯含量较大，为保证底抽巷对近距离煤层群保护层开采工作面的瓦斯抽采与截流效果，需要确定底抽巷层位。水平方向上采取一巷多用的策略，将泄水巷作为己 15-23270 煤层的底抽巷，这样在符合煤矿正常开采的条件下，可以降低掘进施工的工程量；垂直方向上将己 15-23270 煤层的底抽巷布置在灰岩层上方，也就是煤层底板处在 8 m 左右的泥岩层中，而且为了避免底抽巷掘进时误入己 15-23270 采面，2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷18DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.009保证底抽巷的顶板和己 15-23270 采面保持 10 m 的间距。确定好底抽巷层位后，参考施工经验，在底抽巷中垂直工作面的层位布置瓦斯抽采钻场，钻场断面需符合瓦斯卸压施工要求。根据施工人员的经验数据，将钻场设置在己 15-23270 机巷向里 3501150 m处，设计钻场的深度与宽度为 6 m8 m，高度和底抽巷高度保持一致，那么钻场布置如图 1 所示：图 1钻场布置平面图根据以上布置方案，在钻场内部进行近距离煤层群保护层开采截流施工，并采取上行与下行扇形穿层钻孔施工技术实现己 15-23270 采面瓦斯抽采工程。2.2设计钻孔施工参数通过确定钻孔施工的基本参数 4 以及钻孔的位置，来保障瓦斯抽采施工的连续性，由于近距离煤层群保护层中存在垮落带，导致每个钻孔的抽采范围有限，所以需要布置多个钻孔。本文根据煤层的高度计算公式来设计钻孔施工中最佳的孔深与孔距：hb=b（i-1）cos（1）式中：hb为近距离煤层群保护层的高度数据；b为保护层的采高数据；i为煤层群的膨胀系数值；为保护层的倾角数据。根据此公式，设计本次钻孔施工的孔洞参数，那么己 15-23270 机巷钻孔施工的具体参数见表 1：表 1钻孔施工参数表再参考钻场的高度以及钻孔的垂高等数据，本次施工一共设计了 45 个钻孔，在己 15-23270 切眼位置之外的 60 m 距离附近进行低位斜交截流钻孔施工，工程量大概为 12 375 m。2.3确定钻孔位置在近距离煤层群保护层的开采截流过程中，采面的推进、顶板垮落等原因，都会影响瓦斯的流动 5 情况，所以为了保障瓦斯抽采施工的效果，钻孔垂向位置应该在靠近底抽巷的断裂带范围。钻孔的水平位置在靠近底抽巷的同时要避开采空区域和重新压实区域，用公式表示为：lwlkld（2）式中：lw为近距离煤层群保护层中未卸压区域的水平长度数据；lk为采面顶板到底抽巷的水平长度数据；ld为重新压实区域到底抽巷的长度数据。式中的lw可以通过近距离煤层群保护层的倾角获取：lw=hktan（+）（3）式中:hk为钻孔高度数据；为采面顶板覆岩卸压角数据。式（2）中ld可以通过下式获取：ld=Lc3（4）式中:Lc为近距离煤层群保护层采面的长度数据。根据式（2）、（3）、（4）可知：hktan（+）lkLc3（5）利用此公式，确定本次己 15-23270 机巷钻孔施工的位置：开孔位置在己 15 煤层底板附近的 0.21.0 m 处，终孔位置在己 16-17 煤层上。如果钻孔施工过程中出现提前见煤的情况，那么表示穿煤到设计的孔深数据；如钻孔施工过程中没有看见己 16-17煤层，那么需要调整钻孔的角度，终孔时可以见煤。2.4控制钻孔轨迹确定了本次近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工的相关参数后，通过控制钻孔的轨迹开始进行钻孔施工。考虑到煤矿井下特殊环境的影响，由于己15 煤层底板地层垂直裂隙发育，岩石破碎，极易塌孔，所以本次施工的钻进设备需要符合施工要求，那么钻孔施工使用的成套设备见表 2：表 2底板截流钻孔施工成套设备根据近距离煤层群保护层开采截流的实际需求，要让成套设备的钻孔轨迹在煤层中尽量延伸，这样才可以达到最佳的瓦斯抽采效果。本文利用钻孔轨迹投影的平面图来展示钻孔的空间位置，进而实2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷序号参数数据1孔径94 mm2孔深275 m3开孔间距20 m4偏角垂直煤壁左 455仰角03设备名称型号/参数作用钻车CMS1-6200/80 型钻车钻孔主设备钻杆94 mm 三翼复合刮刀钻头配合钻头成孔钻头73 mm 三棱钻杆和73 mm 圆钢钻杆配合钻杆成孔扶正器83 mm 外径的普通钻机加装扶正器控制钻孔方向封孔管57 mm 抗压钢制封孔管防止埋管压实19现钻孔轨迹的有效控制。钻孔轨迹轴线的空间位置可以根据钻孔测点的方位角、倾角以及孔深等数据来获取，通过钻孔轨迹轴线上任一点的空间坐标位置，计算出各轨迹轴线段的水平位移与垂直深度数据，进而获得钻孔轨迹轴线上各点相对孔洞的坐标位置数据。本文采用均角全距法来计算钻孔轨迹轴线的空间位置：设轨迹轴线上任意相邻两点之间的直线长度，与两点间的钻孔轴线长度一致，那么这两个点的方位角和倾角平均值，就是两点间直线的方位角和倾角数据，由于近距离煤层群保护层开采截流钻孔的轨迹是直线与直线衔接成的折线形式，所以控制钻孔轨迹的本质就是用弦代替弧，所以采集轨迹轴线上点的数量直接决定了控制钻孔轨迹的精度。通过上述描述可以得到钻孔轨迹的计算公式为：Xg=nm=1dmcos1+22()cos1+22-()Yg=nm=1dmcos1+22()sin1+22-()Zg=nm=1dmsin1+22()|（6）式中:Xg、Yg、Zg为钻孔轨迹轴线上各点的空间位置坐标；dm为钻孔轨迹轴线上相邻两点间距离数据；1、2分别为钻孔轨迹轴线上相邻两个点的倾角数据；1、2分别为钻孔轨迹轴线上相邻两个点的方位角数据；为主设计方位角数据；n为采集的钻孔轨迹轴线上点的数量。通过此式可以得知，获取钻孔轨迹空间位置的关键因素就是方位角数据，所以为了更好地控制钻孔轨迹，需要参考煤矿井下巷道的走向以及地质来设计方位角。然后根据矿方的实际需求，采取后退式钻孔工艺进行施工，见图 2：图 2后退式钻孔工艺流程图后退式钻孔工艺也可称为从内往外分支钻孔，由图可以看出，这种钻孔工艺是将分支孔的成孔与起钻同步进行，所以适合于本次近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工。2.5封孔成孔之后需要严格密封孔洞，防止瓦斯漏气导致测量的压力值不准确，从而造成瓦斯事故。由于本次瓦斯抽采施工中采用了穿层钻孔技术，且孔洞数量较多、孔洞深度较长，如果采用胶圈封孔或者水泥砂浆机械封孔法，不仅费时费力，而且封孔效果不会太好，孔洞密封性并不能达到预期。所以本文为了保证封孔效果，针对本次近距离煤层群保护层开采截流的实际工况，对基础封孔工艺进行优化，采用“两堵一注”带压封孔，创新使用57 mm 抗压钢制封孔管，全孔深下封孔管，然后结合马丽散化学药剂与水泥砂浆，实现全密闭封孔，如图 3 所示：图 3封孔平面示意图通过图 3 可以看出本次封孔工艺的具体过程为：钻孔施工完毕后，将孔洞清理干净，然后深下抗压钢制封孔管，同时于孔口处设置注浆管；接下来进行注浆封孔，将马丽散化学药剂中的 2 种成分以11 的比例混合在一起，使用棉纱将马丽散药剂缠绕在孔口位置，由于马丽散粘合性较高，可以渗入至煤层群保护层中细小的裂缝中，等待少许时间，待马丽散化学药剂体积完全膨胀后，孔口实现封闭，然后利用提前设置好的注浆管，进行注浆；根据煤矿井下实际环境，将水泥、石膏按比例混合，一次性注入封孔管中，水泥浆注满时，封孔结束，将注浆管封闭。通过上述所提的封孔工艺，可以保证封孔施工的密闭性，有效避免孔洞出现漏气情况。3施工效果分析3.1施工情况本次近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工在2020 年 5 月 12 日正式开始，于 2021 年 10 月 17 日竣工，工时耗费 157 d，总共钻孔 54 个，工程量为2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷20（上接第 17 页）参考文献：1 李敏.工作面底板承压水防治方案设计与实践J.山东煤炭科技，2020（6）：159-161.2 闫左峰.碾沟煤业 5105 工作面承压开采底板注浆加固技术J.煤，2019，28（8）：32-33，36.3 马雄德，杜飞虎，齐蓬勃，李文莉.底板承压水保水采煤技术与工程实践J.煤炭科学技术，2016，44（8）：61-66.作者简介：闫永星（1976-），男，山西古交人，本科，2014 年毕业于黑龙江科技大学安全工程专业，工程师，现任太原煤气化集团公司安全管理中心副主任。（收稿日期：2022-9-16）7 519 m。在本次钻孔加补孔的施工中，最大的孔洞深度达到 204 m，为 21 号孔，深度在 150200 m 之间的孔洞有 22 个，深度在 100150 m 之间的孔洞有 31 个，深度在 100 m 以下的孔洞有 21 个。其中孔深超过 170 m 的钻孔实测参数见表 3：表 3孔深超 170 m 的钻孔实测参数根据本次施工钻孔情况，在工作面己 15-23270回采期间，对瓦斯抽采浓度进行考察，以此判断本次施工效果。3.2瓦斯抽采效果通过采集 30 d 内的瓦斯抽采浓度与工程预期数据对比，来判断本文所提钻孔施工技术的效果，对比结果如图 4 所示：图 4瓦斯抽采浓度对比图由图可知，本次施工后的实际瓦斯抽采浓度数据曲线与预期数据曲线比较接近，且整体都呈上升趋势。由此可以说明，本次近距离煤层群保护层开采截流钻孔施工效果较好，可以保障煤矿开采工作面己 15-23270 的回采安全。4结语本文针对近距离煤层群保护层瓦斯超限的问题，提出了基于钻孔技术的瓦斯抽采施工，并通过瓦斯抽采浓度数据验证了本次施工效果较好，可以有效保障煤矿井下开采的工作安全，为瓦斯防治提供了全新的思路。虽然本文已经取得了一定成果，但由于能力有限，仍然存在一定不足，例如对抽采施工后的残余瓦斯压力与含量没有制定相关的判别标准，今后的工作重点就是对近距离煤层群保护层回采过程中的残余瓦斯进行深入研究。参考文献：1 赵维国，王继仁，兰天伟，等.低透气性煤层的渗透率试验与瓦斯抽采技术 J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2020，39（3）：201-207.2 王建伟.松软低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究J.矿业安全与环保，2021，48（6）：47-52.3 杨枫，郑金龙.近距离煤层群下保护层开采卸压保护效果研究J.煤炭技术，2020，39（1）：134-137.4 田小明，阮淼.特厚煤层瓦斯抽采技术研究J.内蒙古煤炭经济，2022（5）：35-37.5 沈振，刘志文，易伟欣，等.煤层瓦斯抽采顺层钻孔偏斜规律及原因分析J.煤炭技术，2020，39（3）：103-106.作者简介：张百颂，（1989-），男，河南省安阳市人，2009 年毕业于河南理工大学土木工程专业，工程师，现就职于平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，从事区域瓦斯治理、安全管理、科研项目管理等工作。（收稿日期：2022-8-18）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷实际孔深/m 钻井编号开孔位置倾角/方位角/封孔深度/m20421 号G17 点后 1 m11887519230 号G16 点后 36.80 m118813219219 号G17 点前 46 m118815619120 号G17 点前 26 m118815918337 号G14 点前 2.01 m118875180补 22 号-1G17 点后 12 m-118817817529 号G16 点后 16.8 m118816521