邵敏
晋能集团晋城煤炭事业部胡底煤业 山西省晋城市048000
摘要：井下瓦斯爆炸事故时有发生,严重威胁着人的生命健康和安全生产。同时瓦斯空排造成了能源的巨大浪费,并且对环境产生了破坏,瓦斯发电是煤矿瓦斯利用的重要途径,不仅可以达到节能减排的效果,还可以保护生态环境,促进煤矿行业的良性循环发展。金鑫等研究表明采用井下定向钻进技术施工煤层底板注浆加固定向钻孔的工艺方法能实现煤层底板超前探测和治理,确保矿区下保护煤层安全开采,但该技术未进行瓦斯治理研究。李海涛,张哲等仅研究了下保护层开采中的底板卸压深度、卸压效果,并没有针对下保护层卸压技术的实现工艺进行研究。
关键词：保护层开采;卸压瓦斯;定向钻进技术;成孔工艺
引言
煤炭形成过程中，会有瓦斯气体产生，而在煤层开采时其内部瓦斯会进入采煤工作面，浓度达到一定比例时就会对工作面构成一定的威胁。面对采煤工作面瓦斯超限情况，瓦斯抽采这一方法能够产生直接的控制效果，而为了进一步提高瓦斯抽采效果，保护层开采成为了有效的瓦斯治理手段。保护层开采后，受采动影响，被保护层原岩应力平衡状态破坏，产生大量裂隙，卸压煤层。矿井开采中，矿井瓦斯防治至关重要，而防治工作的关键在于准确把握工作面的瓦斯涌出频率、瓦斯涌出源、源瓦斯涌出量等。因此，需要监测并分析该工作面回采前期瓦斯涌出规律，对保护层进行开采卸压瓦斯抽采。
1抽采瓦斯的原则
想要科学、有效的排除上覆相邻煤层瓦斯流到下覆工作面这一不良问题，同时又能节约成本支出，就需要在瓦斯抽取工作依照以下四大原则进行：第一，根据该区域的实际地质环境，选择和煤层赋存环境相一致的抽取方法。第二，尽量在瓦斯起源部分完成上覆煤层采空区域瓦斯的抽取方式。第三，应该尽量选取资金投放量少的方法，对原有的设施进行充分运用，以充分削弱瓦斯的含量。第四，应该尽最大努力降低工程的施工量，缩减劳动强度。
2高位钻孔参数设计
2.1上覆岩层裂隙发育带
该工作面冒落带理论高度约为5.8m，最小的裂隙带顶部高度为18.4m，最大为29.6m。以该矿5#煤层类似工作面实践经验为参照，冒落带高度一般约为5m，煤层顶板易垮落高度约为11m，顶板上方裂隙带高度约为11～30m。因此，裂隙带发高度会影响瓦斯抽采钻孔终孔的设计高度。
2.2钻孔有效抽放长度以及钻场合理间距
设计钻孔抽放长度时需遵循:(1)以裂隙最大发育带作为终孔位置;(2)判断钻孔是否穿过了工作面卸压带。裂隙发育带一般滞后工作面25m，而卸压范围因工作面采动影响，通常超前工作面5～10m，因此该工作面抽采钻孔的有效长度约30～40m。此外，顶板周期垮落步距是每个钻场的高位钻孔相距长度，也被称为“搭茬”距离，该矿顶板周期的垮落步距最短为18m，最长为20m，因此钻场间距为55m。
2.3钻孔沿倾向控制范围
在工作面范围内，回风巷和钻孔终孔位置水平投影之间的间距就被称为钻孔沿倾向控制范围。
3定向钻孔施工关键技术
3.1大角度开孔技术
工作面地质资料显示2#煤层下部3~4m为粉砂质泥岩,局部岩体破碎且存在薄煤线及泥岩条带,定向钻探施工过程中遇水极易缩径塌孔。定向钻孔开孔点选择在巷道中部,受巷道揭露影响,围岩较为松散破碎,存在孔内事故的风险。针对该地质情况,开孔点尽量选择在2#煤层下方,开孔角度调整到-13°~-18°之间,一开钻进选用?120mmPDC钻头结合回转钻进工艺,快速斜穿2#煤层及下部易破碎塌孔层位,进入稳定的细砂岩层后停止钻进,依次用?153mm、?193mmPDC钻头逐级进行扩孔,下入?168mm地质套管。
应用实践表明,开孔角度选择在-14°,即与地层夹角为11°左右最佳,既能减少钻遇煤层段和破碎区域孔段,保证套管下入成功,也能减少定向钻孔后续施工的拐弯孔段,减小钻孔弯曲度。
3.2地层判别技术
本项目定向钻孔目标层位为3#煤层顶板的砂岩层,由于地层的不均一性及受构造影响,局部地层存在的煤线、泥岩及破碎带区域造成孔内存在塌孔卡钻甚至钻具灭失的风险。定向钻进采取全断面切屑方式钻进,理论上在同一稳定地层中,钻压随着孔深的增加而稳定增加。针对该特征,采用观察钻压及孔口返出岩屑能快速对地层进行判别,及时调整施工层位。钻遇泥岩时,钻进压力减小、钻进速度加快、孔口返出岩屑变为粘糊状;钻遇坚硬砂岩层时,钻进压力增加、钻进效率降低,孔口返屑为颗粒状,一般采取适当加大钻压、调整层位、或者更换回转钻进方式穿过坚硬岩层。
3.3预留分支点技术
当采取强力快速回转工艺仍不能通过异常区时,可选用侧钻开分支的方式避开异常地层。根据施工地层状况、设计要求和目的等不同,分支孔施工顺序可分为“前进式”和“后退式”两种。实际施工中开分支点一般选取钻孔轨迹的正角度孔段,调整工具面为180°,即螺杆马达弯角朝下,此时钻孔与螺杆弯角呈大夹角,钻头向下不断反复切削岩层从而形成新的孔段。
实践中钻孔开孔为-14°,保直段为-4°左右,全孔段皆为负角度,针对负角度孔段开分支较困难问题,采用提前预留分支点工艺,利用定向钻进技术每间距80~100m在保直段将孔底倾角调整为3°并保持约10m,随后调整为负角度并沿设计轨迹继续钻进。利用该技术能避开施工异常层位,提高开分支孔成功率及成孔率;同时通过预留分支点,也可对邻近钻孔未施工到的盲区进行覆盖。
3.4混合钻进技术
井下钻探施工采用回转钻进和滑动定向钻进相结合的钻进工艺。回转钻进具有效率高、孔壁平滑、事故处理能力强等优点的同时亦具备轨迹不可控的缺点;滑动定向钻进具有轨迹可控的优点,但由于钻杆不能旋转导致钻孔轨迹空间上呈螺旋曲线,钻孔平滑度低、孔底马达施工进尺慢,且通缆钻杆壁薄抗扭、抗拉性差,处理事故能力差。将两种钻进工艺的特性与地层偏斜情况相结合,既保证钻孔轨迹与设计轨道基本一致,又能获得较快的钻进效率。
4抽放效果分析
根据以上分析，对该工作面回采时，进行煤层底板瓦斯抽采，选择了3个高位钻孔进行抽采，具体参数见表2。通过钻孔完成了底板煤层的瓦斯抽采，瓦斯浓度最小为0.31%，最大为0.53%，瓦斯浓度超限问题并未出现，取得了整体良好的治理效果。被保护层6#煤层经过抽采后测定，瓦斯残余含量3.9m3/t、瓦斯残余压力0.32MPa。可以看出，底板卸压瓦斯抽采可使被保护层瓦斯含量及浓度也能大幅度降低，且下煤层瓦斯突出危险发生几率显著下降。
结语
总而言之，通过对瓦斯矿井的煤层钻孔瓦斯抽采工艺进行改进，相比于以前的施工工艺，钻孔有效率更高，速度更快，而且抽采效果能够得到很好的提升，为煤矿瓦斯处理工作提供相应的帮助，确保煤矿的安全生产。
参考文献
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