顶板高位定向钻孔抽采瓦斯治理技术应用研究.pdf

241 科学管理2023年第9期煤与瓦斯突出”是威胁矿井安全生产的杀手。U型通风方式下回采工作面的上隅角瓦斯涌出是矿井安全生产的难点，传统的普通高位钻孔和采空区埋管瓦斯抽采技术受设备、钻孔控制范围和终孔点层位不精准等因素影响，特别是倾斜煤层，工作面斜长会发生变化，导致上隅角积聚的瓦斯气体难以有效隔离，治理效果不尽理想，威胁安全生产，顶板高位定向钻孔技术可以有效解决这一问题，实现以孔代巷，成为当前采空区瓦斯治理的有效手段之一。为降低工作面回风流和上隅角瓦斯浓度，贺西矿设计在3413工作面回风巷施工顶板高位定向钻孔抽采采空区瓦斯2。1 工程概况贺西矿位于山西柳林县陈家湾乡，井田面积18.9km2，设计能力300万t/a，现开采3#、8#煤层，矿井绝对瓦斯涌出量70.16m3/min，相对瓦斯涌出量12.99m3/t，属煤与瓦斯突出矿井。3413工作面设计走向长度345m，回采走向长度285m，倾斜长度163m，平均煤厚9.5m，采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤工艺，工作面煤层赋存稳定。3413工作面上部为已回采结束的页岩保护层工作面，下部为3409底抽巷，布置扇形穿层预抽瓦斯钻孔1685个。2 顶板高位定向钻孔钻进技术2.1 技术原理根据竖“三带”理论和瓦斯扩散渗流理论的研究成果以及煤矿瓦斯防治的实践经验，采用钻孔方式抽采采动断裂带内的瓦斯是抽采采空区瓦斯的有效措施之一。使用这一技术，螺杆钻具进行造斜时与随钻测量系统联合使用，可实时监测孔底钻具的造斜情况，通过调节螺杆钻具的姿态，能对钻孔倾角和方位角进行实时调节，实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的煤层中有效延伸，并可进行多分支钻孔施工，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采、提高抽采效率等优点。2.2 施工装备及其工艺施工根据钻孔设计深度要求，采用ZYL6000D型钻机及配套泥浆泵车，直径95mm，1.5螺旋槽孔底马达，直径89mm螺旋槽通缆钻杆，直径153mm四翼圆弧定向钻头，以及YSX15有线随钻测量系统等设备器具。具体工艺采用的是螺旋槽通缆钻杆和扩孔外平钻杆水排渣，定向钻进和回转钻进的施工工艺。其工艺流程为：开机前检查开机试机移机支钻扩孔钻进15m（孔径203mm）封孔12m安装气水渣分离器安装导向钻进装置常规钻进（孔径153mm）拆送水器接钻杆测量接送水器送水再次钻进终孔洗孔起拔钻杆完孔移机施工下一个钻孔。施工过程中，利用随钻测量系统实时测量的钻孔轨迹和倾角、方位角及螺杆马达工具面向角数据，结合钻孔深度可计算出钻孔空间轨迹，并通过防爆计算机显示。同时，根据实钻轨迹与设计轨迹的偏差，通过钻机回转器转动钻杆调整螺杆马达工具面向角，达到造斜及调整钻孔轨迹的目的，以保证钻孔实钻轨迹符合设计要求。3 顶板高位大直径定向钻孔的设计布置3.1 设计依据开采煤层受采掘扰动影响，在采空区会形成：垮落带、断裂带和弯曲下沉带。开采后，上覆岩层的裂隙及离层会对瓦斯赋存及运移产生影响，离层裂隙是瓦斯积聚的空间也是瓦斯流动的通道，层间贯通的竖向裂隙是瓦斯进入工作面或采空区的通道，其最大发育高度和密度与采高及岩性有关。当采空区面积达到一定范围后，导气裂隙的分布在平面上呈“O”型圈特征，是回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。煤层开采“三带”和“O”型圈示意如图1所示。顶板高位定向钻孔抽采瓦斯治理技术应用研究梁万林山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿 山西 吕梁 033000摘要：针对贺西矿回采工作面采空区上隅角瓦斯浓度高的问题，设计在3413工作面回风巷施工顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯，以孔代巷，解决回采工作面采空区瓦斯涌出量大的问题；结合采空区三带分布理论，确定了最佳布孔位置贺钻孔参数。实践证明，大直径顶板高位定向钻孔具有施工成本低、抽采效率高、定位好等特点，保证工作面安全回采。关键词：高瓦斯 顶板钻孔 瓦斯抽采科学管理 242 2023年第9期a.截面 b.平面图1 煤层开采“三带”和“O”型圈示意3.2 钻孔设计及其层位布置采空区裂缝带定向钻孔主要抽采断裂带、部分采空区以及受采动影响的上部岩层、邻近煤层瓦斯。根据上覆岩层移动规律和瓦斯流动规律，断裂带中下部裂隙发育充分是邻近层瓦斯和垮落区瓦斯的主要集聚区，具有瓦斯含量高、浓度大的特点，是钻孔抽采瓦斯的最佳位置。受采掘扰动影响，采空区顶板覆岩垮落，形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，采空区瓦斯上浮涌入上部岩层裂缝带区域，通过提前在裂缝带区域施工顶板高位定向钻孔，可将聚集的瓦斯抽出，因此，垮落带和裂缝带高度可由经验公式（1）、（2）计算：5.26M2.6M100HK+=（1）5.66M1.3M100HL+=（2）式中：HK垮落带高度，m；HL裂缝带高度，m；M采高，m。根据计算得出贺西矿采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法工作面采空区顶板垮落带高度为15.5m，裂缝带高度为28.2m。因此钻孔施工轨迹布置剖面位于煤二层顶板以上1628m 区域内；平面距3413回风巷分别为10、25、40、55、70m，钻孔孔径为153mm。钻孔技术参数：孔深375m，开孔倾角15，开孔方位角95，目标方位角90。顶板高位定向钻孔布置平面如图2所示。图2 顶板高位定向钻孔布置平面4 抽采效果分析为了对3413工作面顶板钻孔瓦斯抽采效果进行分析，施工抽采完后，在孔口支管路安装在线监测装置对抽采数据实时收集并进行统计分析，图3为3413工作面顶板高位定向钻孔瓦斯抽采流量随工作面推进进度变化情况。图3 抽采流量随工作面推进距离变化曲线由上图可知，个顶板高位定向钻孔的抽采流量随作面推进距离不断增大，当工作面推进距离为20m 时，个钻孔流量迅速增大，1号、2号钻孔流量达到m3/min左右，3号、4号、号钻孔靠近工作面倾向方向中部，单孔抽采流量可达到10m3/min左右，待抽采25d左右时，即工作面推进距离为40m时，采空区顶板垮落，裂缝带“O”型圈形成，个顶板高位定向钻孔单孔抽采流量达到最大15m3/min，随工作面推进，单孔抽采流量基本稳定1115m3/min，抽采效果极佳。工作面在回采期间，如果采用传统方法抽采，平均瓦斯涌出量29.450m3/min，高位拦截钻孔抽采负压在kPa时，实测单孔流量1.3443.842m3/min，平均2.593m3/min，每组个钻孔，合计抽采流量20.744m3/min。而顶板高位定向钻孔的单孔抽采量为11.130m3/min，个钻孔合计平均抽采流量62.830m3/min。由此可见，采用顶板高位定向钻孔抽采比传统的高位拦截钻孔抽采效率提高了约倍。3413工作面目前已回采135m，通过顶板高位定向钻孔抽采采空区裂缝带瓦斯有效降低采空区瓦斯涌入回采工作面的可能性，确保工作面安全回采，工作面配风量由初期设计的2600m3/min降低至2135m3/min，根据现场实测，工作面后部刮板输送机位置处各气体平均浓度分别为：CH4 0.55%，上隅角各气体平均浓度为：CH4 0.50%；回风流中各气体平均浓度为：CH4 0.25%；顶板高位定向钻孔中各气体平均浓度为：CH4 2.98%。5 结论（）煤矿井下通过采用顶板高位定向钻孔瓦斯抽采技术，替代传统高位钻孔抽采技术，有效解决了工作面回采后采空区大量瓦斯涌入工作面和上隅角的问题，并且系统稳定，受外界因素影响少，节约施工成本，通过抽采效率。（）结合竖“三带”理论和“O”型圈特（下转第2 4 4 页）科学管理 244 2023年第9期升电压的质量。所以选择合理的补偿器可以有效的降低能耗。3 节能设备选定完成了供电系统的优化后对节能设备进行选择，据统计称用电设备在我国国民生产中占据了相当重的比例，且随着我国工业化的进程不断加速，用电设备的能耗也在进一步增大，所以选定合适的节能设备对矿山节能有着重要的作用。（1）变频器具备变频调速功能变频器是一种可在电机运行过程中调节转速以达到符合负载变化的设备。而且变频器还可以为系统提供过流、过载及过压等问题的保护。常见的电动机启动电流会比其额定电流高出5、6倍，且当电动机运行时运行速度及负载不同等原因会对设备的寿命及其能耗产生一定的影响，所以在系统中增加变频器是十分必要的。电动机在耗能中占据了绝对的地位，所以减少发动机的电耗可以有效的降低矿山能耗。发动机的选型应当选用高效节能型发动机，根据我国对中小型三相异步电机的节能评估及能效限定值的规定可以看出，高效节能三相异步电机具有性能好、寿命长、噪音小、高效节能等优点，完美符合矿山的目标要求。（2）矿山照明设备节能照明设备，照明设备是矿山正常开采的重要设备，由于矿山面积大的原因，照明设备的需求量也是十分巨大的。照明设备的选择在一定程度上会影响矿山的能耗，节能型照设备的选择应当满足国家对相关产品的要求，且应当尽量选择寿命长、灯光效果好、节能等照明设备。（3）低电阻电缆由于供电系统中电缆量巨大，电缆的电阻越大，供电系统中因为电阻而消耗的能耗越大。所以为了减小电缆的能耗，选定合适的电缆对矿山节能有着重要的意义。选电缆时应当满足矿山对电压的需求的前提下优先选择电阻小、费用低、质量好的电缆。（4）软启动器软启动器是一种多功能的电机控制装置，它可以实现对电机的软启动、软停车及保护电机的功能。软启动器是利用三相反并联晶闸管为调压装置，连接于电机与电源间。当采用软启动器对系统进行启动时，晶闸管输出电压增大，电动机随之启动，当系统启动完毕后，软启动器被旁路替换。完美实现了电机的平滑启动，避免电机在启动时的电流差。同时软启动装置可以有效的降低电机在自由停车时产生的设备损坏。4 结束语本文为了降低矿山的耗电量，通过研究提出对矿山配电系统进行合理的设计及优化，提出在合适位置建立供电中心、选用节能变压器及无功补偿器等方面来降低矿山的用电量。在降低矿山用电量的同时，提升了矿上的经济效益，使之可以更好的提升矿山企业的核心竞争力，保障了大型矿山持续发展。参考文献1 曹亚红.煤矿电气设备节能技术探究 J.能源与节能，2016（1）：92-93.2 李飞.矿山改造工程中电气节能降耗技术的应用分析 J.矿业工程，2017，15（3）：65-67.3 陈婷.浅谈大型矿山电气节能措施 J.现代矿业，2014，30（3）：197-198.4 张梦丽.矿山电气节能措施的运用分析 J.世界有色金属，2018（13）：34-35.征，对顶板高位定向钻孔最佳布孔范围进行分析和确定；实践证明，回采工作面的最佳钻孔位置为：层位在煤层顶板以上1628m，倾斜覆盖范围距工作面回风巷1070m，满足矿井安全生产要求。参考文献1 王建强，张杰，杜学明.复杂地层高位定向长钻孔成孔工艺研究与应用 J。煤炭科学技术，2021。（5）：35.作者简介梁万林（1985.9），本科，毕业于太原理工大学采矿工程专业，从事煤矿安全生产工作。（上接第2 4 2 页）