煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术.doc

煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术作者：姚宁平摘要：钻孔抽采瓦斯是煤矿生产治理瓦斯灾害的根本措施，我国煤矿每年瓦斯治理的钻孔工程量已超过1亿5000万m，对煤矿安全生产具有不可替代的作用。瓦斯抽采从钻孔层位、抽采目的考虑，主要可分为顶板高位钻孔、沿煤层钻孔和穿层钻孔，对于不同类型的钻孔，可以使用不同型号的钻机和成孔工艺。本文在论述煤矿井下瓦斯抽采钻孔布孔方式、施工技术的基础上，对未来的新技术发展趋势作了展望。关键词：煤矿井下；瓦斯抽采；钻孔；施工技术我国煤层气(瓦斯)资源丰富，但地质条件复杂、煤层特征差异很大，煤炭生产多以井工开采为主，瓦斯灾害是造成煤矿安全事故的主要原因之一。近年来，随着采煤范围的扩大和深度的增加，一些原来的低瓦斯矿井也变成了高瓦斯矿井，所以煤矿安全生产形势依然严峻，重特大事故时有发生。生产实践表明，瓦斯钻孔抽采是防治瓦斯灾害事故，实现瓦斯综合治理与利用的根本措施。为了确保煤矿安全生产，2006年6月，国务院办公厅关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见中，再次明确提出“必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针”。所谓先抽后采，就是利用钻孔预抽瓦斯，降低煤层中的瓦斯含量，确保回采时瓦斯不超限，达到安全生产的目的。要达到这个目的，除少数有条件的煤矿可以在地面施工部分预抽放垂直钻孔外，针对瓦斯抽放的大量钻孔必须在煤矿井下进行施工。据推算，每年我国煤矿业用于瓦斯治理的钻孔工作量已超过1亿5000万m。在煤矿井下瓦斯钻孔抽采治理中，根据钻孔的布置方式，常见方法主要有：高位钻孔抽采；本煤层(顺层)钻孔抽采以及穿层钻孔抽采等。相应地，我们可将煤矿井下瓦斯抽采钻孔分为顶板高位钻孔、沿煤层(顺层)钻孔和穿层钻孔3类。实际施工过程中，我们应根据矿井地质条件、瓦斯含量、抽采方式、井下工作条件、设备能力等因素，综合考虑确定合理的瓦斯抽采钻孔形式。1 高位瓦斯抽采钻孔施工技术近年来随着工作面推进速度的加快，以及钻探工艺水平和设备能力的提高，很多矿区开始因地制宜的探索采用顶板高位水平长钻孔进行邻近层瓦斯的抽采工作。顶板高位钻孔抽采瓦斯的理论基础是卸压抽采，主要抽采上邻近层赋存或受采动影响开采煤层涌出的瓦斯，并包括部分采空区瓦斯。1.1 钻孔层位的选择高位钻孔抽采是根据煤层开采后形成的“竖三带”、“横三区”、“O型圈”的变化规律，以及煤岩覆存条件来确定瓦斯抽采钻孔的布置层位，顶板水平长钻孔主要抽采裂隙带、部分采空区以及受采空影响的上覆邻近层的瓦斯，以减少工作面瓦斯涌出量。根据覆岩移动规律和瓦斯流动规律，裂隙带中下部裂隙发育充分，是邻近层瓦斯和冒落区瓦斯的主要聚集区，具有瓦斯含量高、浓度大的特点，是抽采瓦斯的最佳层位，也是布置高位钻孔的最佳区域。一般而言，这个位置应在35倍采高的范围以内。另外，要保证钻孔的抽放效果，首先应保证成孔和后期钻孔的完整性，钻孔布置层位选择时，通过对有效区域内岩层性质和成孔性的分析，尽量使钻孔布置在相对稳定的岩层中。1.2 钻孔参数的确定从抽放效果和生产效率来讲，一般提倡大直径长钻孔。但是钻孔的深度和直径的确定，要综合考虑地层条件、抽放要求以及施工技术与设备能力。地层条件是确定钻孔参数的主要依据，抽放要求和设备能力可根据地层条件进行调整和选择。在地层具备打深孔的条件下，可相应提高抽采要求和选择适当的钻进技术施工深孔，使钻孔覆盖整个工作面。如果地层条件复杂，钻进成孔性差，根本不具备长钻孔施工条件，要根据实际情况调整设计参数，确定更合适的钻孔深度。钻孔直径的大小直接影响到瓦斯抽采的效果，一般直径越大，瓦斯渗透面积越大，抽放效果越好，但是实际中，应综合考虑瓦斯含量、抽放周期和施工成本问题。目前水平长钻孔的设计孔径主要有113 mm、133mm、153mm、193mm。在实际生产中，可首先因地制宜的通过采用不同孔径钻孔进行抽采效果对比和分析，选择最经济有效的钻孔直径。1.3 钻孔的布置形式钻孔的参数确定后，根据工作面布置条件和抽采要求进行合理的钻孔布置是保证钻孔取得良好抽放效果的前提条件之一。以走向长1000m、宽200m的工作面为例，如果顶板岩石完整、成孔性好，钻孔设计深度为8001000m，可在回采终止线前10m左右的位置，从回风巷道向顶板设置上顺抽放巷，然后在工作面的中间位置向回采面方向布置一组高位走向长钻孔。另外受矿井通风压差的影响，靠近回风侧钻孔抽放效果明显好于进风侧钻孔，因此钻孔布置时应尽量在靠近回风侧将钻孔加密或增大钻孔直径。在这种情况下，一般沿回风巷道一定距离设置钻窝，每个钻窝内的钻孔向回采面方向呈小扇形分布，并应覆盖靠近回风侧1/2的工作面或更多，保证钻孔具有瓦斯抽放量大和抽放周期长的特点。钻孔的间距一般1m，在同一平面内有一定夹角，以利于孔口密封和防止串孔。如果顶板岩石稳定性差，如含有膨胀或松软泥岩成分，钻孔布置时应尽量避开该层，且不宜设计太深，并可根据实际情况设计顺槽斜钻孔进行补充。目前，国内已有许多煤矿企业利用大直径高位长钻孔抽放瓦斯，取得很好的效果，例如阳泉煤业集团使用MK-6型钻机施工大直径高位长钻孔的最大孔深达603.5m，铁法煤业集团也已超过400m；七台河煤业使用ZDY10000S型钻机施工大直径高位瓦斯抽放孔，最大孔深685m，陕煤集团韩城局也已超过520m。2 本煤层(顺层)瓦斯抽采钻孔施工技术在煤矿生产过程中，尤其是高瓦斯矿井，从瓦斯治理和利用的角度出发，经常需要在煤层中布置一系列的钻孔用于抽采或释放瓦斯，以确保生产安全。沿煤层钻孔，由于没有无效进尺，钻孔进尺少，成孔速度快，抽采效果好，所以如果施工条件允许时被作为首选预抽瓦斯钻孔的施工方法。在沿煤层钻孔中，根据其目的不同可分为两类，一类是为巷道掘进服务的预抽瓦斯沿煤层长钻孔和释放瓦斯的防突钻孔，另一类是为煤层回采服务的用于预抽瓦斯的沿煤层走向长钻孔和沿煤层倾向钻孔。为巷道掘进服务预抽瓦斯的沿煤层长钻孔，一般沿巷道两侧各布置2个长钻孔，2个钻孔之间间距约5m，而钻孔距巷道的掘进边缘一般为10m。钻孔在施工过程中，为了不偏离巷道的掘进方向，确保钻孔的瓦斯预抽范围内巷道的掘进安全，应采用保直措施，使钻孔轨迹既不偏离巷道的掘进方向，也不侵入巷道的掘进范围。而在具有突出危险的煤层中，为了确保掘进工作面的工作安全，防止煤与瓦斯的突出危险，常常会在掘进工作面上施工深度较浅的防突钻孔，以释放地层和瓦斯压力，降低掘进工作面上的瓦斯含量，确保施工安全。这类钻孔深度一般在1030m之间，钻孔直径一般100mm。钻孔间距和排距各1m左右。同时为了释放煤壁的瓦斯，掘进头四周的钻孔常常按外插角形式布置。在有些瓦斯含量特别高的煤层，有时也在煤巷两侧施工瓦斯排放孔，确保煤巷的正常掘进。而这类防突钻孔，由于施工设备简单，钻孔深度较浅，我们不作为讨论的重点。实践证明，只要地层条件合适，设备配套，方法正确，该类钻孔可起到良好的防突防喷效果，有利于加快巷道的掘进速度。在煤矿的实际生产当中，一般各矿根据本矿区瓦斯赋存量和相对涌出量、回采工作面长度等决定本煤层预抽钻孔的布置方式。目前所采用的钻孔布置方式主要有两种，一种是沿工作面走向布置走向长钻孔，另一种是沿工作面倾向布置沿煤层钻孔。沿工作面走向布置走向长钻孔的钻场一般设置在回采终止线或尾巷附近，钻孔深度根据工作面长度和具体的施工条件而定。现有的设备能力已经具备完成1000m钻孔的施工能力，因此一般1000m以上的工作面，如果煤层成孔条件较好，水平长钻孔的设计深度可达到8001000m，每个工作面布置45个长钻孔，覆盖整个工作面进行瓦斯预抽，如陕西铜川的陈家山煤矿，工作面长度超过1000m，设计沿煤层钻孔深度8001000m，钻孔直径113mm，采用ZDY10000S型钻机，完成钻孔深度达865m。而晋城煤业集团，使用ZDY6000S、ZDSY6000L钻机，施工500600m的沿煤层钻孔效果良好。对于由于地层原因或设备能力问题，施工深孔的条件受到限制时，可考虑将工作面划分为几个区段，然后在分割的区段内沿工作面走向布置钻场和设计走向长钻孔，钻孔深度一般在300500m。这种情况下可使用ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L等中深孔钻机，施工沿煤层瓦斯抽采钻孔。沿工作面倾向布置沿煤层钻孔时，钻孔布置形式有斜钻孔、平行钻孔和交叉钻孔等。钻孔深度一般80150m，终孔直径94130mm，钻孔间距1030m。根据实践效果检验，钻孔向回采面方向呈斜角布置的钻孔抽采(放)效果较好。阳泉煤业集团利用ZDY1200L、ZDY4000L钻机施工这类钻孔，由于搬迁方便，取得了良好的使用效果。3 穿层瓦斯抽采钻孔施工技术穿层钻孔是解决煤矿瓦斯的另外一种途径。这类钻孔根据其用途和施工方法的不同又可分为两类：一类是在煤层底板中施工专门的瓦斯工艺巷，从该巷道中通过施工上仰钻孔，穿过具有突出危险的松散煤层，抽采煤层中的瓦斯，降低其压力，为煤巷掘进和煤层回采服务。另一类是在煤层回风巷道中施工上仰钻孔，穿过煤层顶板及其上邻近不可采煤层，利用煤层回采过程中的采动影响，抽采邻近层及部分采空区的瓦斯，降低回采工作面上的瓦斯浓度。煤层底板施工工艺巷进行穿层钻孔抽采瓦斯的方法，一般适用于具有强突出危险的松软煤层。这类煤层由于煤层松软，所以在本煤层很难施工沿煤层钻孔。而由于瓦斯含量高、压力大，如果不采取预抽采的措施，则无法进行煤巷掘进；同时，由于瓦斯含量高、压力大，如果在本煤层施工瓦斯预抽采钻孔，还有可能诱发瓦斯和煤的突出，所以不得已而采用这种高成本的瓦斯抽采方法。为了施工方便，这种瓦斯抽采工艺巷一般布置在欲掘进煤巷的下方，离开煤巷的最小距离不少于15m。在工艺巷内，每隔3050m设置一个专用钻场，每个钻场内施工数量不等的钻孔，成放射状布置，不仅抽采欲掘进巷道部分煤层及其影响范围内的瓦斯，也抽采欲回采煤层中的瓦斯，确保煤巷掘进和煤层回采时工作面瓦斯不超限、不突出。每个钻场内的钻孔数量，根据钻场的间距，煤层的瓦斯含量，瓦斯压力的大小，煤层的透气性，巷道的面积和工作面的宽度等因素确定。一般情况下，每个钻场的钻孔数量不少于10个。这类钻孔的深度较浅，一般情况下不超过100m，而对于缓倾斜煤层，钻孔深度最大可达150m；钻孔直径一般不超过100mm。在有些情况下，例如遇到断层带等瓦斯富集区，会在煤层地板施工一些较短的专用瓦斯巷，在其中施工数十个甚至近百个不同方向、不同角度的钻孔，覆盖该区域，抽采其煤层瓦斯。这类钻孔，一般穿过煤层，进入顶板即终孔。这类钻孔在煤层孔段，各钻孔之间孔距应尽量相近，确保在瓦斯抽采时，整个欲抽采区域的瓦斯能得到有效释放，保证煤层的回采安全。这类情况由于钻孔深度较小，均选用能力较小的钻机，可取得较好的使用效果。煤层顶板施工穿层钻孔抽采瓦斯的方法，一般选择在回风顺槽或专用巷道(抽采巷道或注浆巷道)中进行，它适用于回采煤层顶板岩石较好，上邻近层不可采但瓦斯含量高、压力大的情况。这种情况下，上邻近不可采煤层有可能是一层，也可能是多层，它们的共同特点是由于距离主采煤层较近，煤层回采后处于顶板裂隙带范围以内。在采煤过程中，受采动影响，邻近不可采煤层中的瓦斯沿裂隙带和冒落带，大量涌入回采工作面，使瓦斯超限影响煤矿的安全生产，甚至会造成严重的瓦斯事故。如果我们向煤层顶板施工上仰钻孔，穿过上邻近层，使钻孔进入顶板裂隙带并施以负压，受采动影响进入裂隙带中的高浓度瓦斯就会被钻孔抽采，使其不致涌入工作面对回采煤层造成影响。为了提高瓦斯的抽采效率，抽出高浓度的瓦斯，这类钻孔的轨迹不能进入冒落带，否则会造成抽放瓦斯浓度降低，起不到应有的效果。如果钻孔的轨迹设计合理，工作面回采超过钻孔位置后，依靠钻孔和裂隙带的联系，在一定时间内仍然可抽采裂隙带中的高浓度瓦斯，防止其涌入采空区而威胁回采工作面的安全，这个距离，一般在50m左右。施工时，在回风顺槽或专用巷道中，每隔3050m布置一个专用钻场，每个钻场呈扇形放射状布置510个钻孔。钻孔深度一般100m左右，钻孔直径最大可到200mm，钻孔倾角3545之间。角度的选取既要保证钻孔轨迹不进入冒落带，又要保证在裂隙带中有足够的长度。在有些情况下，当钻孔进入裂隙带后，采用降低钻孔倾角进行定向钻进的方法，以延长钻孔在裂隙带中的长度，提高抽采效果。例如阳泉煤业集团利用ZDY1900S、ZDY3200S钻机，抽采上邻近层瓦斯，取得了良好的抽采效果。4 未来的发展趋势近20年来，我国不仅在煤矿井下瓦斯抽采方法方面，而且在瓦斯抽采钻孔的施工设备和成孔工艺方面，都取得了长足的进步。专用的瓦斯抽采钻孔设备从无到有、从小到大，现已具备了施工千米钻孔的能力。但我们应该看到，由于我国煤矿地质条件复杂多变，在定向瓦斯抽采钻孔施工和松软煤层钻进方面，和煤矿的实际需要相比，还有待于进一步提高。预计再经过23a的努力，在软煤钻进方面，适用于软煤钻进的中风压空气钻进及螺旋钻杆钻进方面将取得长足进步。在0.30.5的煤层中，钻孔深度将会达到100m；在0.51的煤层中，钻孔深度将会达到200m。在定向钻进方面，随着螺杆钻具的使用和适用于煤层井下条件的随钻测量定向仪的研制成功，在条件合适的情况下，无论沿煤层还是高位瓦斯抽采钻孔，最大深度都会达到8001000m以上，甚至超过1200m，并根据不同的需要，形成500m以下、600800m的系列配套产品和工艺方法，实现真正意义上的受控定向钻进。