定向千米钻机在近水平煤层石门揭煤中的应用与探索.pdf
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1、2023 年 10 月Oct.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.019定向千米钻机在近水平煤层石门揭煤中的应用与探索(山西亚美大宁能源有限公司,山西 晋城 048100)摘要 针对作为瓦斯突出矿井的大宁煤矿近水平煤层石门揭煤措施控制区域大、预抽钻孔施工质量要求高等问题,结合定向千米钻机轨迹可控、过程可溯的特点,提出采用千米钻机反向穿层钻孔预抽揭煤区域煤层瓦斯的技术方案。该方案实现了煤层产状的精准探测和钻孔质量的全过程管理,突破了传统揭煤措施在时间及空间上的限制,实现了区域煤层超前抽采,煤层瓦斯含量由10.25 m3/t降低至5.84 m3/t,
2、既保证了抽采效果,又有效控制了揭煤作业时的瓦斯突出风险。关键词 定向千米钻机;近水平煤层;石门揭煤;瓦斯突出中图分类号 TD712文献标识码 B文章编号 1672蛳9943(2023)05蛳0058蛳040引言随着煤炭开采强度的不断增大,煤与瓦斯突出愈发成为井工矿井中最严重的灾害之一。其中石门揭煤作业的瓦斯突出风险最大咱员暂。据统计,瓦斯突出煤量达千吨以上的瓦斯突出案例中,石门揭煤瓦斯突出次数占比达到 77%。为此,防治煤与瓦斯突出细则 对井巷揭煤作业工序做出了明确要求咱圆暂。现井巷揭煤作业中区域防突措施主要采用预抽揭煤区域煤层瓦斯。然而对于近水平煤层的预抽钻孔施工通常存在以下问题:石门揭煤过
3、渡段,巷道掘进过长;单孔有效进尺占比较小,钻孔施工工程量大;钻机频繁移机施工效率低;钻孔施工极易产生空白带,增加安全风险。大宁煤矿作为国内优先引进澳大利亚 VLD 定向千米钻机的突出矿井,在定向千米钻机深孔精准地质探测、高效瓦斯抽采、定点探放水等方面进行了广泛的试验和应用咱猿暂。针对大宁煤矿近水平煤层石门揭煤设计中,揭煤巷道距离长、瓦斯治理区域大、地质探测精度要求高等特点咱源暂,利用千米定向钻机进行了揭煤区域地质探测和瓦斯治理,钻孔施工效率显著提高,瓦斯抽采效果明显,取得了良好的应用效果。1工程概况大宁煤矿位于沁水煤田东部南段,设计生产能力 4.0 Mt/a,批准开采 3#煤层,开采水平+48
4、5 m,埋深 200450 m,采用斜井开拓方式。2003 年至今先后采购 7 台定向千米钻机,以解决矿井瓦斯治理问题。该矿 2012 年被鉴定为煤与瓦斯突出矿井,根据矿井防治煤与瓦斯突出专项设计要求,采用“三岩一煤”开拓大巷布置,即:在突出煤层顶板布置 3 条开拓岩巷,在岩巷的掩护下掘进 1 条开拓煤巷。3#煤层位于二叠系下山西组下部,煤层平均厚度约 4.45 m,近水平煤层,属中等变质程度的无烟煤,全区稳定可采。煤层顶板为粉砂岩、泥岩或砂岩;底板为泥岩或粉砂岩。煤层自燃等级为级,为不易自燃煤层,抽放难易程度属可以抽放 容易抽放类型咱5暂。西大一开拓煤巷设计沿煤层底板掘进,掘进过程中因受 F
5、334 系列断层影响,出现长距离煤层缺失,综合掘进设备、无轨胶轮车爬坡性能及巷道使用功能受限等情况,设计-12毅倾角岩巷掘进,在掘进 110 m 后揭露 3#煤层,调整坡度沿煤层底板掘进咱6暂。揭煤区段巷道设计如图 1 所示。(a)揭煤区段巷道设计平面西 87西 85西 84西 86揭煤区域采取区域防突措施位置现掘进位置瓦斯含量取样点瓦斯参数测量钻孔西大一开拓煤巷西大二巷道能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5582023 年 10 月Oct.,20232019 年 4 月,在西大二巷道
6、设计 3 个底板穿层钻孔测定西大一开拓煤巷揭煤区域煤层瓦斯参数,现场采用直接法进行原始瓦斯含量、瓦斯压力测定。测定原始瓦斯含量为 10.25 m3/t,原始瓦斯为1.23 MPa。2近水平石门揭煤施工要求按照 防治煤与瓦斯突出细则 第七十七条关于“在揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离 10 m之前,应当至少施工 2 个穿透煤层全厚且进入顶(底)板不小于 0.5 m 的前探取芯钻孔,并详细记录岩芯资料,掌握煤层赋存条件、地质构造等”要求,揭煤前需对揭煤区域煤层赋存情况进行精准探测。为了有效控制揭煤作业过程中的突出风险,须按照 防治煤与瓦斯突出细则 中第六十四条的要求,对设计巷道轮廓线外 12 m
7、 及巷道轮廓线的最小距离不小于 5 m 的煤层范围采取区域预抽防突措施。同时考虑到揭穿煤层后巷道将沿煤层掘进,区域预抽防突措施仍需满足:近水平煤层区域防突措施须控制巷道两侧轮廓线外至少各 15 m;采掘工作面距未预抽或者预抽防突措施效果无效区域边界的最小距离不得小于 20 m。故将西大一开拓煤巷揭煤区域预抽钻孔控制范围设定为:沿煤层走向方向控制宽度 36 m;沿巷道掘进方向控制长度59 m。揭煤区域预抽瓦斯控制范围较大。揭煤区域预抽范围示意如图 2 所示。(a)揭煤区域预抽范围平面(b)揭煤区域预抽范围剖面图 2揭煤区域预抽范围示意另因该区域属 F334 构造带影响范围内咱苑暂,煤层瓦斯含量须
8、由原始测定值 10.25 m3/t 降至 6 m3/t 以下,区域煤层瓦斯预抽率须达到 40%以上,瓦斯预抽工程量较大。3设计方案根据 2017 年中国矿业大学编制的 大宁煤矿3 号煤层钻孔抽采半径和排放半径测定考察报告:准96 mm 抽采钻孔,抽采 3 个月,有效抽采半径为3.5 m;抽采 6 个月,有效抽采半径为 4.5 m。准75 mm抽采钻孔,抽采 3 个月,有效抽采半径为 3.0 m;抽采 6 个月,有效抽采半径为 4.0 m。结合西大一开拓煤巷设计停掘位置、西大二巷道与揭煤区域空间位置关系和矿井钻机配备应用情况,设计 4 种预抽钻孔施工方案,具体如下:方案 1:在西大一开拓煤巷设计
9、停掘位置采用定向千米钻机对揭煤区域施工预抽钻孔。钻孔孔径96 mm,设计钻孔 11 个,钻孔呈扇型布置,单孔设计长度 3580 m,单孔进尺 60150 m,预计施工钻孔总进尺 1 260 m,孔底间距 6 m,采用“两堵一注”进行封孔,封孔长度 12 m。该钻孔施工需在西大一开拓煤巷掘进至停掘位置后方可实施,同时钻孔由岩层过渡至煤层时过渡段距离较长,加之 F334 系列断层影响,过渡段极易出现垮孔、塌孔现象,施工难度较大。西大一开拓煤巷停掘位置施工定向预抽钻李向阳定向千米钻机在近水平煤层石门揭煤中的应用与探索(b)揭煤区段巷道设计剖面图 1揭煤区段巷道设计F334-2,320毅蚁60毅,H1
10、0 mF334-1,320毅蚁60毅,H15 m现掘进位置岩巷倾角标高/m煤巷揭煤区域60059058057056055054053060059058057056055054053012毅采取区域防突措施位置西大一开拓煤巷西大二巷道西 87西 86西 85揭煤区域采取区域防突措施位置区域预抽范围59 m西大二巷道西大一开拓巷道采取区域防突措施位置设计煤巷揭煤区域20 m20 m59 m592023 年 10 月Oct.,2023孔设计如图 3 所示。图 3西大一开拓煤巷停掘位置施工定向预抽钻孔设计方案 2:在西大一开拓煤巷设计停掘位置采用非定向钻机对揭煤区域施工预抽钻孔。钻孔孔径75 mm,设
11、计抽采钻孔 77 个,钻孔呈扇型布置,单孔设计长度 1575 m,预计施工钻孔总进尺 3 500 m,孔底间距 56 m,采用“两堵一注”进行封孔,封孔长度 58 m。该钻孔施工需在西大一开拓煤巷掘进至停掘位置后方可实施,同时因采用非定向钻机施工轨迹不可控、误差大、易形成空白带,且在西大一开拓煤巷迎头布置大量钻孔,前方煤岩体受密集钻孔扰动影响,裂隙增加,钻孔封孔难度较大,钻场易漏气,影响抽采效果。西大一开拓煤巷停掘位置施工非定向预抽钻孔设计如图 4 所示。图 4西大一开拓煤巷停掘位置施工非定向预抽钻孔设计方案 3:在西大二巷道底板岩巷采用非定向钻机对揭煤区域施工穿层预抽钻孔。钻孔孔径75 mm
12、,设计抽采钻孔 77 个,钻孔呈矩形布置,单孔设计长度 3060 m,预计施工钻孔总进尺 3 850 m,孔底间距 56 m,采用“两堵一注”进行封孔,封孔长度 12 m。该钻孔施工可在西大二巷道提前实施,但因采用非定向钻机施工轨迹不可控,易造成空白带,且钻工工程量较大,钻孔穿矸较多,施工效率较低。西大二巷道施工非定向穿层预抽钻孔设计如图5 所示。图 5西大二巷道施工非定向穿层预抽钻孔设计方案 4:在西大二巷道底板超前钻场采用定向千米钻机对揭煤区域施工穿层预抽钻孔。钻孔孔径96 mm,设计抽采钻孔 7 个,钻孔呈扇型布置,单孔设计长度 210230 m,单孔进尺 300350 m,预计施工钻孔
13、总进尺 2 300 m,孔底间距 6 m,采用“两堵一注”进行封孔,封孔长度 12 m。该钻孔施工可在西大二巷道钻场提前施工,且在西大一开拓煤巷掘进过程中均可保留利用,但施工过程中穿矸相对距离过长。西大二巷道施工定向穿层预抽钻孔设计如图 6所示。图 6西大二巷道施工定向穿层预抽钻孔设计4方案优选针对前述提出的 4 种区域预抽防突措施施工方案,从预抽钻孔施工时间、钻孔施工工期、钻孔施工工程量及区域瓦斯抽采时间等方面进行比较,优选施工方案。施工方案对比如表 1 所示。表 1施工方案对比方案 1方案 2方案 3方案 4钻孔施工位置西大一西大一西大二西大二是否可提前施工不可提前施工不可提前施工可提前施
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