低渗透松软煤层定向钻机超前探技术研究与应用.pdf

1、低渗透松软煤层定向钻机超前探技术研究与应用秦晓峰袁海(贵州能发高山矿业有限公司贵州 毕节 黔西市能源局贵州 毕节)摘 要:为了解决在低渗透松软煤层地质构造复杂区段采用常规超前探手段会影响施工工期且容易发生瓦斯和水害事故的问题采用定向钻机在巷道开孔位置施工长钻孔替代常规手段进行超前探探明前方地质和水文条件该方法利用随钻测量系统和水力马达进行长距离施钻在开孔位置修筑完善的排水系统和安装水封式汽水渣分离防喷装置解决瓦斯和水害问题 采用定向钻机开展超前探一次批掘超过 施工期间未发生瓦斯和水害事故提高了生产效率 实践证明定向钻机完善排水系统水封式汽水渣分离防喷装置能够快速、安全开展低渗透松软煤层的超前探

2、测关键词:低渗透松软煤层定向钻机汽水渣分离随钻测量系统瓦斯超限中图分类号:.文献标识码:文章编号:()贵州省的煤炭资源丰富以优质的高发热量无烟煤为主有西南煤海之称目前已经建成了完善的煤电输系统负担为我国南部沿海输送电力的任务是西电东输的重要组成部分 但是贵州省主要的煤系地层地质条件复杂多煤层赋存地质构造较发育顶、底板普遍发育厚层灰岩含水层地质灾害成为影响煤矿安全生产的重要因素繁重的灾害治理工程严重制约了当地煤炭产量 为了探明掘进前方地质灾害情况确保安全生产各矿井普遍开展了底板预抽巷超前探工程对瓦斯、构造和水进行有效探查 但这些工程一般在巷道掘进过程中开展不但影响巷道掘进施工的工期还可能引发水害

3、和瓦斯灾害 特别是高山煤矿构造条件复杂煤层展布不稳定透气性较差瓦斯赋存和运移的影响因素较多造成瓦斯分布不均局部存在瓦斯包在钻探期间更容易发生瓦斯事故为了解决这个问题本文以高山煤矿 综采工作面运输顺槽底抽巷为例利用千米定向钻机在底抽巷掘进施工前对巷道前方的煤岩层赋存、地质构造、水文地质情况进行超前探查取得了良好效果 工程概况.高山煤矿概况高山煤矿位于贵州省黔西市协和镇设计生产能力为 万/是贵州豫能和贵州能发电力燃料开发有限公司合作建设的矿井井田面积.可采储量.万 设计可采煤层为 和 煤层煤层平均厚度为.煤层平均厚度为.煤质为类无烟煤类自燃煤层无爆炸危险性 矿井采用斜井开拓中央并列式通风布置两翼走

4、向回采工作面采用综采一次采全高回采工艺全部垮落法管理顶板 矿井为煤与瓦斯突出矿井水文地质条件中等构造复杂.主采煤层透气性高山煤矿主采煤层的透气性系数相对较低根据瓦斯参数测定报告煤层透气性系数为.煤层透气性系数为.瓦斯赋存不稳定在构造位置和煤层变厚区域瓦斯含量急剧上升瓦斯含量可达/瓦斯压力可达.而正常区域的瓦斯含量/瓦斯压力.高山煤矿构造复杂根据对三维地震勘探结果和采掘揭露情况的分析该矿井断层和褶曲较发育局部地段处于应力集中区小型断层和褶曲较多煤层厚度、产状和应力发生急剧变化导致瓦斯赋存极不稳定 由于瓦斯含量和压力差异巨大在底抽巷利用常规手段施工超前探时经常遇到高瓦斯煤体发生喷孔、响煤炮等瓦斯动

5、力现象造成巷道内瓦斯浓度超限导致停产停工对安全高效生产造成较大影响 定向钻孔关键装备及钻孔设计本次定向钻孔施工采用中煤科工集团西安研究院的型号为 深孔定向钻机在 工作面运输顺槽底抽巷 煤层底板钻进对巷道前方的地质构造、煤层层位、厚度及产状和巷道周边水文地质情况进行探查.关键装备本次使用 深孔定向钻机主要结构包括钻机、泥浆泵、监视器、随钻测量系统、孔底马达、钻头、钻杆和通信电缆等组成结构见图 为了应对在施工过程中出现喷孔等瓦斯动力现象而造成瓦斯超限事故采用水封式汽水渣分离防喷装置抽取钻机工作过程中喷出的高浓度瓦斯组成结构见图 图 定向钻机系统结构示意图 煤墙 钻孔 封孔直管 分离管 排渣箱 水池

6、 负压 阻压阀图 水封式汽水渣分离防喷装置结构示意图在施工过程中通过钻杆尾部的送水器(水辫)供水经钻杆至孔底向外返水污水通过钻孔经 出口流出进入分离水池 沉淀分离实现循环利用少部分气体由阻压阀进入排渣箱如果在施工过程中发生喷孔等瓦斯动力现象则瓦斯由 出口进入排渣箱气体裹挟的碎渣经挡板缓冲后沉淀至排渣箱底部定期打开排渣口排出 排渣箱顶部连接负压抽放管路施工过程中喷出的瓦斯气体通过抽放管路排出.定向钻机钻场设计本次定向钻孔施工位置在 工作面运输顺槽底抽巷开口处位于一水平轨道大巷的新鲜进风流中施工用水可以通过水沟直接流至井底水仓通风和排水系统良好 定向钻机的单根钻杆长度为 附属设备众多钻机操作需要更

7、大空间为了保证千米钻机在不影响巷道运输的情况下正常施工设计了定向钻机专用钻场钻场规格(长)(宽)(高)平行于一水平轨道大巷 钻场采用 钢带锚网喷支护钻场顶板施工锚索锚索间排距 锚索长度为 定向钻机施工钻场的布置情况见图 图 定向钻机施工钻场设计图.定向长钻孔设计本次中心孔设计 个顶板孔、个中心孔(个分支孔)、左右帮各 个帮孔控制设计巷道的上、下、左、右及中心在施工过程中可以对钻孔情况进行调整顶板孔为 孔中心孔为 孔左右帮孔为和 孔钻孔设计平剖面图见图、图 参数情况见表 图 定向钻机超前探钻孔设计平面图图 中心孔设计轨迹剖面图表 运输顺槽底抽巷超前探设计参数表孔号方位角勘探线方位套管长度设计孔深

8、开孔倾角.以实际为准以实际为准以实际为准.注浆及封孔套管注浆:本次超前探注浆及封孔材料为纯水泥 套管到位后孔口用棉布加固使用黄泥和水泥严密封堵采取壁后孔口注浆套管和孔底反浆管双反浆即由壁后孔口开始注浆套管反浆后用闷盖封严继续注浆待孔底反浆管反浆后关闭反浆管继续注浆增压 该层位距离 煤层顶板长兴组灰岩含水层超过存在 煤层、煤层、煤层及顶底板泥岩隔水层因此不受长兴组灰岩含水层影响该层位承受的底板茅口组水压不足 按照煤矿防治水细则要求本次注浆压力设计不低于 套管注浆完成 水泥凝固后扫孔进行耐压试验耐压试验压力耐压时间为 封孔:钻孔施工完毕后直接在孔口加闷盖注浆封孔本次要求全孔注浆封孔封孔终压不小于

9、定向钻机超前探成果及效益分析.超前探成果本循环超前探施工钻孔 共施工钻孔 个包括 个分支孔 主孔长度 探明了前方 范围内的煤层赋存情况和水文地质条件确定巷道前 范围内煤层倾角(走向方向)约 范围内煤层倾角约煤层厚度.煤层具有一定起伏未见大型断裂构造水文地质条件简单 施工完成后对穿层钻孔煤层瓦斯进行预抽 本次施工期间未发生瓦斯浓度超限和水害事故 目前该底抽巷已经施工完毕根据底抽巷瓦斯治理钻孔施工情况分析该区段 煤层赋存情况与超前探情况基本一致施工成果图见图 图 运输顺槽底抽巷超前探成果图.效益分析.经济效益本次利用定向钻机施工超前探工程共施工钻孔每米成本为 元总费用为.万元若采用普通钻机施工则每

10、循环批掘 需 个循环每循环工程量约总工程量每米成本 元总费用为.万元本次节省正常超前探施工工期节省瓦斯治理时间 每天平均进尺 每米效益按照 元计算共创造效益约.万元本次超前探总的效益约为.万元.安全效益在定向钻机超前探施工期间未发生瓦斯超限事故煤层赋存情况探测准确在巷道掘进过程中没有因瓦斯浓度超限事故造成停掘具有较高安全效益.可推广价值高山煤矿待掘工作面 个施工条件均与 运输顺槽类似 定向钻孔长距离超前探试验的成功可以在这些工作面推广 如果能够解决下行钻孔排渣问题并提高钻孔深度将会创造更大的经济效益 结语本次利用定向钻机在 运输顺槽底抽巷开展了长距离超前探探明前方 范围内的地质条件和水文地质条

11、件在施工期间未发生瓦斯事故和水害事故具有较高的安全效益一次批掘超过 创造经济效益约.万元 下一步将在一采区和二采区其他工作面继续推进本次定向钻机超前探工程解决了以往超前探批掘距离短、易发生瓦斯和水害事故、影响施工工期等问题但是在施工过程中出现了下行孔排渣困难导致钻孔施工长度受限、煤层低渗透松软特性造成顺层钻孔施工效率低下需要多开分支孔的问题在后续定向钻孔施工过程中要对这些问题继续攻关提高钻孔施工效率延长钻孔的批掘长度实现更大的经济效益参考文献:郑功勋李晓华王晓东等.基于 分析的贵州煤炭产业发展研究.煤炭工程():.代江姜有泉田年杰等.“双碳”目标下贵州电力调峰辅助服务市场设计与实践.华电技术():.刘勇文武.贵州省煤炭生产灾害事故及防治措施.山东工业技术():.罗旋郑义.浅析黔北煤田的地质特点及勘查对策.资源信息与工程():.金明方李松营王恩营.背斜对煤矿灾害的控制作用研究.煤矿安全():.刘志明冯琨杰张超.高山煤矿水力冲孔增透技术试验研究.内蒙古煤炭经济():.基金项目:山西 师 范 大 学 地 理 科 学 学 院 青 年 科 学 基 金 项 目()作者简介:秦晓峰()男 河南林州人 本科 工程师从事煤矿安全管理工作