煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年 月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：“十三五”国家科技重大专项（）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（）作者简介：张迪（），男，辽宁锦州人，工程师，现从事煤矿“一通三防”工作。引用格式：张迪，姚壮壮，王君东，等 煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究 能源与环保，（）：，（）：煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究张迪，姚壮壮，王君东，乔金林，王建伟（国家能源集团 神东煤炭集团保德煤矿，山西 保德 ；煤炭科学研究总院，北京 ；中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 ；北京力治安全生产技术服务有限责任公司，北京 ；国家能源集团 神东煤炭集团技术研究院，陕西 神木 ）摘要：为了研究煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术的适应性以及瓦斯抽采效果，在保德煤矿 工作面开展了上下行钻孔瓦斯抽采技术现场试验。试验结果表明，在同等瓦斯治理效果条件下，上行钻孔抽采的平均瓦斯浓度、瓦斯抽采纯量、百米钻孔抽采量要比下行钻孔高；在相同抽采条件区域范围内，上行钻孔抽采瓦斯浓度比下行钻孔高 倍，上行钻孔抽采平均纯瓦斯流量比下行钻孔高 倍；在同等抽采、地质条件煤层区域范围内，上行钻孔比下行钻孔具有更好的抽采稳定性和抽采效果。试验研究结果将对煤矿瓦斯治理方案中优选上下行钻孔瓦斯抽采技术提供一定参考。关键词：上下行钻孔；瓦斯抽采技术；瓦斯抽采效果；瓦斯治理中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，；，）：，：；近年来，我国在煤矿安全生产治理上取得了突破性的进展，但煤矿安全事故时有发生。在所有的煤矿事故中，瓦斯事故所占比例最大，占所有事故的 以上，所以瓦斯灾害防治是煤矿安全生产工作的重中之重 。瓦斯抽采是防治瓦斯事故的主要技术手段，通过瓦斯抽采可降低煤层中瓦斯含量及瓦斯压力 。高瓦斯矿井本煤层瓦斯抽采常规钻孔布置方式不同，瓦斯抽采效果也不同。乔伟等 分析了影响瓦斯抽采效果的主控因素，证实了长钻孔瓦斯抽采工艺技术在本煤层瓦斯抽采中的优势；年第 期能源与环保第 卷李慧祥 对本煤层顺层钻孔布置间距、抽采时间等进行考察，对瓦斯抽采效果进行了分析；刘佳佳等 建立了考虑 效应、有效应力和解吸收缩影响的流固耦合模型，运用该模型对本煤层顺层钻孔抽采参数进行优化；许江等 开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理模拟试验，对瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力及抽采流量的演化规律进行了探讨。一些专家学者为了保证抽采效果，对抽采排渣、排水封孔工艺等开展了相关研究 ，然而对本煤层常规上下行钻孔瓦斯抽采技术的适应性以及抽采效果研究很少。为此，笔者将在保德煤矿 工作面开展上下行钻孔瓦斯抽采技术现场试验，综合采用现场试验、观测数据对比的手段，对煤矿上下行 种类型钻孔瓦斯抽采技术的适应性以及抽采效果开展研究，为煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术的推广应用提供一定指导。试验矿井及工作面概况保德煤矿属于国家能源集团下属的神东煤炭集团，位于山西省保德县境内。矿井主采 号煤层，矿井绝对瓦斯涌出量为 ，相对瓦斯涌出量为 ，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为 ，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为 ，为高瓦斯矿井。号煤层的煤尘具有爆炸危险性。自燃倾向性等级为类，属自燃煤层。工作面东邻 工作面，西为未开发实体煤，北为三盘区集中辅运副巷，南为三盘区边界。工作面设计可采长度为 ，倾向长度为 ，煤炭储量 万 。该工作面煤层底板等高线为 ，煤层总体近南北走向，为一宽缓向西倾斜的单斜构造，最大相对高差 ，倾角为 ，平均 。工作面沿煤层走向回采，煤层厚度呈中间厚、两边薄的趋势，巷道开口端煤层厚度 ，中部最厚为 ，掘进巷道南部煤层厚度为 ，煤层结构较为复杂，夹矸 层，单层夹矸最大厚度为 。号煤层瓦斯含量与埋深遵循线性回归关系 ，结合实验室实测数据资料，预测 工作面原始瓦斯含量为 ，瓦斯储量为 万。为了防止瓦斯灾害的发生，保证矿井安全生产，目前 采煤工作面正在开展 号煤层超前治理瓦斯工作。借此机会，在保德煤矿 工作面开展了上下行钻孔瓦斯抽采技术现场试验，研究上下行钻孔瓦斯抽采技术的适应性以及抽采效果。煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验 上下行钻孔瓦斯抽采技术试验设备 工作面上下行钻孔施工使用 型煤矿用履带式全液压坑道钻机，此钻机属于自行式、低转速、大转矩类型，适于采用复合片钻头施工深度约 的大直径钻孔，也可采用孔底动力机钻进，主要用于煤矿井下施工近水平长距离瓦斯抽放钻孔。钻机结构如图 所示，钻孔施工流程如图所示。图 钻机结构示意 图 钻孔施工流程 上下行钻孔瓦斯抽采技术试验工艺参数设计 上下行钻孔布置工艺参数采煤工作面向前推进后，采空区四周原有的应力平衡状态受到破坏，引起围岩应力的转移及重新 年第 期张迪，等：煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究第 卷分布，进而在新的应力作用下引起由下向上不同岩层的变形、移动及破坏。根据钱鸣高院士提出的“岩层控制的关键层理论”，在沿工作面推进方向上覆岩层可划分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，即“横三区”；在垂直方向上划分为“三带”：垮落带、顶板裂隙带和地表弯曲下沉带，如图 所示。图 “三带”示意 采动裂隙主要分为 类：横向离层裂隙，即岩层下沉后在层与层间出现的沿层裂隙，它作为瓦斯涌出通道，使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压；竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它形成了上下岩层间瓦斯及水的通道 。在采动影响下，类裂隙均大量发育，使本煤层及相邻煤层的透气性大幅提高，煤岩层产生卸压增透的效果。目前研 究 表 明，在 采 动 裂 隙 带 瓦 斯 抽 采 效 果 明显 ，所以煤矿上下行钻孔终孔位置尽量布置在煤层采动裂隙带区域附近。钻机区域性钻孔布置设计前，先查看钻孔施工区域地质资料。钻孔施工区域尽量布置在无断层、陷落柱、冲刷带等，且煤层倾角变化小（上山煤层倾角不大于 ，下山煤层倾角不小于 ），地质条件较好的区域，钻孔施工地点尽量选择能够施工上下行钻孔区域。钻孔布置尽量不在已施工或正在施工钻孔的区域，以避免穿孔造成不必要的抱钻事故。钻孔设计长度应根据生产需要进行确定，一般钻孔终孔点超过需要解决的区域（巷道）水平垂距 。在煤层倾角变化较大的区域，钻孔设计长度还受煤层落差高度影响，一般上行钻孔抬升高度不超过 ，下行钻孔下行落差不超过 ，钻孔设计长度根据煤层底板等高线确定。最终确定 工作面上下行钻孔沿工作面倾向布置，钻孔开口位置距离底板 ，钻孔开口方位与煤壁垂直，钻孔直径为 ，长度为 ，终孔位于 号煤。常规预抽钻孔封孔段长度不小于。煤壁外露部分为三通，一头与钻孔连接，一头向与埋线管连接，一头向上安装 球阀，埋线管上与球阀相连，下与放水管连接。三通与封孔管外露长度总和不超过 。试验区域钻孔平面实钻布置如图 所示。图 钻孔实钻轨迹平面布置 上下行钻孔封孔工艺参数采用“两堵一注”封孔工艺，囊袋封孔装置封堵钻孔，个囊袋间有 个出浆嘴。封孔原理：利用注浆管向 个囊袋注浆，囊袋膨胀后与钻孔壁紧密接触，当注浆压力超过注浆嘴的开启压力时，注浆嘴向个囊袋之间的空隙注浆，浆液进入囊袋与钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，实现抽采钻孔的封孔，封孔深度 。钻孔“两堵一注”封孔工艺如图 所示。图 钻孔“两堵一注”封孔工艺示意 上下行钻孔瓦斯抽采工艺参数（）对煤矿上下行长距离钻孔而言，影响瓦斯抽采效果的主要因素为孔口负压。通过对已采用长距离钻孔进行瓦斯抽采矿井进行调研发现，钻孔抽采负压变化时对钻孔瓦斯流量有影响，同一钻孔抽采负压增大、抽采量增大，不同钻孔抽采负压大的抽采量也大（扣除钻孔长度影响）。确保足够的负压对钻孔抽采是必需的，特别是对于长距离钻孔，由于其初始流量一般较大，以便及时将孔内瓦斯抽走。钻孔抽采负压不宜低于 。（）根据抽采半径考察结果，钻孔的预抽时间 年第 期能源与环保第 卷不应少于 ，实际生产过程中，应结合矿井的采掘接续尽可能延长工作面的预抽时间，降低煤层的瓦斯含量。（）根据 煤矿瓦斯抽采规范（）规定，吨煤钻孔的要求见表 。胶带巷设计钻孔长度 万 ，掘进期间利用 一号回风巷施工的定向钻孔 万 ，经计算 工作面吨煤钻孔量为 。保德煤矿号煤层透气性系数 （），属可以抽采煤层，趋于较难抽采。按照 工作面设计方案，此设计吨煤钻孔量满足 煤矿瓦斯抽采规范 规定。表 吨煤钻孔量 煤层类别薄煤层中厚煤层厚煤层容易抽采 可以抽采 较难抽采 （）根据保德煤矿历年瓦斯抽采数据，结合邻近的 胶带巷钻孔相关参数，按照初始百米钻孔瓦斯流量为 ，钻孔流量衰减系数为 进行计算，预计抽采瓦斯量 万。工作面瓦斯储量为 万，经计算，在有限的预抽时间内预抽率为 。煤矿上下行钻孔瓦斯抽采效果分析 工作面试验钻孔施工完毕后，随即开始连接至抽采系统进行预抽，经过 数据观测，上下行钻孔平均瓦斯浓度、平均纯瓦斯流量监测结果图 、表 。图 上下行钻孔瓦斯浓度、纯瓦斯流量对比 表 工作面常规钻孔实验数据 抽采时间下行钻孔平均瓦斯浓度 平均纯瓦斯流量（）上行钻孔平均瓦斯浓度 平均纯瓦斯流量（）从表 测量数据可知，上行钻孔抽采的平均瓦斯浓度和瓦斯纯量值均比下行钻孔高。平均来看，抽采 内，上行钻孔抽采的平均瓦斯浓度为 ，而下行钻孔的平均瓦斯浓度为 ，上行钻孔平均瓦斯抽采浓度比下行钻孔高 倍，即上行钻孔抽采瓦斯浓度在下行钻孔基础上提高了 ；而上行钻孔抽采的平均纯瓦斯流量为 ，下行钻孔的平均纯瓦斯流量为 ，上行钻孔抽采平均纯瓦斯流量比下行钻孔高 倍，即上行钻孔抽采瓦斯纯量在下行钻孔基础上提高了 。从图 （）可以看出，在抽采 后，下行钻孔的瓦斯抽采浓度呈现出下降的趋势，而上行钻孔的瓦斯抽采浓度还是维持在 以上；抽采 后，平均瓦斯浓度为 ，比下行钻孔的 高出了 。从图 （）可以看出，无论是上行钻孔还是下行钻孔的抽采瓦斯纯量均为下降趋势，抽采 后，下行钻孔抽采瓦斯纯量下降到 ，上行钻孔抽采瓦斯纯量下降到 ，尤其在抽采 以后，下行钻孔抽采瓦斯纯量下降趋势更加明显。可以看出，无论是瓦斯抽采浓度还是瓦斯抽采 年第 期张迪，等：煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究第 卷纯量，上行试验孔抽放效果要略优于下行试验孔。由此可证明，上行钻孔的影响区域大于下行钻孔，更适用于保德煤矿瓦斯预抽工作。结论（）煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术现场试验研究表明，在同等瓦斯治理效果条件下，上行钻孔比下行钻孔适应性更强，上行钻孔抽采的平均瓦斯浓度、瓦斯抽采纯量、百米钻孔抽采量比下行钻孔高，治理工作面瓦斯效果更好。（）根据煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验结果，上行钻孔抽采平均瓦斯浓度为 ，而下行钻孔平均瓦斯浓度为 ，上行钻孔抽采浓度平均比下行钻孔高了 倍；同时上行钻孔抽采的平均纯瓦斯流量为 ，下行钻孔的平均纯瓦斯流量为 ，上行钻孔抽采平均纯瓦斯流量比下行钻孔高了 倍。（）煤矿上下行钻孔瓦斯抽采中，上行钻孔瓦斯抽采可以有效保证保德煤矿 工作面的安全高效生产，可以将上下行钻孔瓦斯抽采技术进一步推广应用到具有相似抽采条件的煤矿。参考文献（）：景国勋，刘孟霞 年我国煤矿瓦斯事故统计与规律分析 安全与环境学报，（）：，（）：王锋伟 下行抽采钻孔排渣及排水技术研究与应用 能源与环保，（）：，（）：乔伟，王凯，程波 顺层长钻孔瓦斯抽采工艺技术应用研究 矿业安全与环保，（）：，（）：李慧祥 顺层瓦斯抽采钻孔布置与现场应用效果分析 中国石油和化工标准与质量，（）：，（）：刘佳佳，贾改妮，王丹，等 基于多物理场耦合的顺层钻孔瓦斯抽采参数优化研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，许江，宋肖徵，彭守建，等 顺层钻孔布置间距对煤层瓦斯抽采效果影响的物理模拟试验研究 岩土力学，（）：，（）：石智军，李泉新，许超 煤矿井下随钻测量定向钻进技术及应用 地质装备，（）：，（）：任仲久 下向瓦斯抽采钻孔自动排水技术研究与应用 能源与环保，（）：，（）：王维忠，刘东，许江，等 瓦斯抽采过程中钻孔位置对煤层参数演化影响的试验研究 煤炭学报，（）：，（）：钱鸣高，缪协兴，许家林，等 岩层控制的关键层理论 徐州：中国矿业大学出版社，程详，赵光明，李英明，等 软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：张磊 高位钻孔瓦斯抽采终孔合理层位研究 河南科技，（）：，（）：杨清泉，顾士超 高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术 煤炭技术，（）：，（）：吴鹏飞，李普，尚政杰 极低透气性构造软煤瓦斯抽采技术应用研究 能源与环保，（）：，（）：马延崑 高瓦斯首采工作面裂隙带钻场及煤层钻孔多位联合抽采技术研究 太原：太原理工大学，