煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù).doc

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1、煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)作者：姚寧平摘要：鉆孔抽采瓦斯是煤礦生產(chǎn)治理瓦斯災(zāi)害的根本措施，我國(guó)煤礦每年瓦斯治理的鉆孔工程量已超過(guò)1億5000萬(wàn)m，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有不可替代的作用。瓦斯抽采從鉆孔層位、抽采目的考慮，主要可分為頂板高位鉆孔、沿煤層鉆孔和穿層鉆孔，對(duì)于不同類型的鉆孔，可以使用不同型號(hào)的鉆機(jī)和成孔工藝。本文在論述煤礦井下瓦斯抽采鉆孔布孔方式、施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)的新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)作了展望。關(guān)鍵詞：煤礦井下；瓦斯抽采；鉆孔；施工技術(shù)我國(guó)煤層氣(瓦斯)資源豐富，但地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層特征差異很大，煤炭生產(chǎn)多以井工開采為主，瓦斯災(zāi)害是造成煤礦安全事故的主要原因之一。近年來(lái)，隨著采煤范圍的

2、擴(kuò)大和深度的增加，一些原來(lái)的低瓦斯礦井也變成了高瓦斯礦井，所以煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，重特大事故時(shí)有發(fā)生。生產(chǎn)實(shí)踐表明，瓦斯鉆孔抽采是防治瓦斯災(zāi)害事故，實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合治理與利用的根本措施。為了確保煤礦安全生產(chǎn)，2006年6月，國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見(jiàn)中，再次明確提出“必須堅(jiān)持先抽后采、治理與利用并舉的方針”。所謂先抽后采，就是利用鉆孔預(yù)抽瓦斯，降低煤層中的瓦斯含量，確保回采時(shí)瓦斯不超限，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。要達(dá)到這個(gè)目的，除少數(shù)有條件的煤礦可以在地面施工部分預(yù)抽放垂直鉆孔外，針對(duì)瓦斯抽放的大量鉆孔必須在煤礦井下進(jìn)行施工。據(jù)推算，每年我國(guó)煤礦業(yè)用于瓦斯治理的鉆孔工

3、作量已超過(guò)1億5000萬(wàn)m。在煤礦井下瓦斯鉆孔抽采治理中，根據(jù)鉆孔的布置方式，常見(jiàn)方法主要有：高位鉆孔抽采；本煤層(順層)鉆孔抽采以及穿層鉆孔抽采等。相應(yīng)地，我們可將煤礦井下瓦斯抽采鉆孔分為頂板高位鉆孔、沿煤層(順層)鉆孔和穿層鉆孔3類。實(shí)際施工過(guò)程中，我們應(yīng)根據(jù)礦井地質(zhì)條件、瓦斯含量、抽采方式、井下工作條件、設(shè)備能力等因素，綜合考慮確定合理的瓦斯抽采鉆孔形式。1 高位瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)近年來(lái)隨著工作面推進(jìn)速度的加快，以及鉆探工藝水平和設(shè)備能力的提高，很多礦區(qū)開始因地制宜的探索采用頂板高位水平長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行鄰近層瓦斯的抽采工作。頂板高位鉆孔抽采瓦斯的理論基礎(chǔ)是卸壓抽采，主要抽采上鄰近層賦存或受采

4、動(dòng)影響開采煤層涌出的瓦斯，并包括部分采空區(qū)瓦斯。1.1 鉆孔層位的選擇高位鉆孔抽采是根據(jù)煤層開采后形成的“豎三帶”、“橫三區(qū)”、“O型圈”的變化規(guī)律，以及煤巖覆存條件來(lái)確定瓦斯抽采鉆孔的布置層位，頂板水平長(zhǎng)鉆孔主要抽采裂隙帶、部分采空區(qū)以及受采空影響的上覆鄰近層的瓦斯，以減少工作面瓦斯涌出量。根據(jù)覆巖移動(dòng)規(guī)律和瓦斯流動(dòng)規(guī)律，裂隙帶中下部裂隙發(fā)育充分，是鄰近層瓦斯和冒落區(qū)瓦斯的主要聚集區(qū)，具有瓦斯含量高、濃度大的特點(diǎn)，是抽采瓦斯的最佳層位，也是布置高位鉆孔的最佳區(qū)域。一般而言，這個(gè)位置應(yīng)在35倍采高的范圍以內(nèi)。另外，要保證鉆孔的抽放效果，首先應(yīng)保證成孔和后期鉆孔的完整性，鉆孔布置層位選擇時(shí)，通過(guò)

5、對(duì)有效區(qū)域內(nèi)巖層性質(zhì)和成孔性的分析，盡量使鉆孔布置在相對(duì)穩(wěn)定的巖層中。1.2 鉆孔參數(shù)的確定從抽放效果和生產(chǎn)效率來(lái)講，一般提倡大直徑長(zhǎng)鉆孔。但是鉆孔的深度和直徑的確定，要綜合考慮地層條件、抽放要求以及施工技術(shù)與設(shè)備能力。地層條件是確定鉆孔參數(shù)的主要依據(jù)，抽放要求和設(shè)備能力可根據(jù)地層條件進(jìn)行調(diào)整和選擇。在地層具備打深孔的條件下，可相應(yīng)提高抽采要求和選擇適當(dāng)?shù)你@進(jìn)技術(shù)施工深孔，使鉆孔覆蓋整個(gè)工作面。如果地層條件復(fù)雜，鉆進(jìn)成孔性差，根本不具備長(zhǎng)鉆孔施工條件，要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，確定更合適的鉆孔深度。鉆孔直徑的大小直接影響到瓦斯抽采的效果，一般直徑越大，瓦斯?jié)B透面積越大，抽放效果越好，但是實(shí)際

6、中，應(yīng)綜合考慮瓦斯含量、抽放周期和施工成本問(wèn)題。目前水平長(zhǎng)鉆孔的設(shè)計(jì)孔徑主要有113 mm、133mm、153mm、193mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，可首先因地制宜的通過(guò)采用不同孔徑鉆孔進(jìn)行抽采效果對(duì)比和分析，選擇最經(jīng)濟(jì)有效的鉆孔直徑。1.3 鉆孔的布置形式鉆孔的參數(shù)確定后，根據(jù)工作面布置條件和抽采要求進(jìn)行合理的鉆孔布置是保證鉆孔取得良好抽放效果的前提條件之一。以走向長(zhǎng)1000m、寬200m的工作面為例，如果頂板巖石完整、成孔性好，鉆孔設(shè)計(jì)深度為8001000m，可在回采終止線前10m左右的位置，從回風(fēng)巷道向頂板設(shè)置上順抽放巷，然后在工作面的中間位置向回采面方向布置一組高位走向長(zhǎng)鉆孔。另外受礦井通風(fēng)壓

7、差的影響，靠近回風(fēng)側(cè)鉆孔抽放效果明顯好于進(jìn)風(fēng)側(cè)鉆孔，因此鉆孔布置時(shí)應(yīng)盡量在靠近回風(fēng)側(cè)將鉆孔加密或增大鉆孔直徑。在這種情況下，一般沿回風(fēng)巷道一定距離設(shè)置鉆窩，每個(gè)鉆窩內(nèi)的鉆孔向回采面方向呈小扇形分布，并應(yīng)覆蓋靠近回風(fēng)側(cè)1/2的工作面或更多，保證鉆孔具有瓦斯抽放量大和抽放周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。鉆孔的間距一般1m，在同一平面內(nèi)有一定夾角，以利于孔口密封和防止串孔。如果頂板巖石穩(wěn)定性差，如含有膨脹或松軟泥巖成分，鉆孔布置時(shí)應(yīng)盡量避開該層，且不宜設(shè)計(jì)太深，并可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)順槽斜鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充。目前，國(guó)內(nèi)已有許多煤礦企業(yè)利用大直徑高位長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯，取得很好的效果，例如陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)使用MK-6型鉆機(jī)施工大直徑高

8、位長(zhǎng)鉆孔的最大孔深達(dá)603.5m，鐵法煤業(yè)集團(tuán)也已超過(guò)400m；七臺(tái)河煤業(yè)使用ZDY10000S型鉆機(jī)施工大直徑高位瓦斯抽放孔，最大孔深685m，陜煤集團(tuán)韓城局也已超過(guò)520m。2 本煤層(順層)瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是高瓦斯礦井，從瓦斯治理和利用的角度出發(fā)，經(jīng)常需要在煤層中布置一系列的鉆孔用于抽采或釋放瓦斯，以確保生產(chǎn)安全。沿煤層鉆孔，由于沒(méi)有無(wú)效進(jìn)尺，鉆孔進(jìn)尺少，成孔速度快，抽采效果好，所以如果施工條件允許時(shí)被作為首選預(yù)抽瓦斯鉆孔的施工方法。在沿煤層鉆孔中，根據(jù)其目的不同可分為兩類，一類是為巷道掘進(jìn)服務(wù)的預(yù)抽瓦斯沿煤層長(zhǎng)鉆孔和釋放瓦斯的防突鉆孔，另一類是為煤層回采服務(wù)的

9、用于預(yù)抽瓦斯的沿煤層走向長(zhǎng)鉆孔和沿煤層傾向鉆孔。為巷道掘進(jìn)服務(wù)預(yù)抽瓦斯的沿煤層長(zhǎng)鉆孔，一般沿巷道兩側(cè)各布置2個(gè)長(zhǎng)鉆孔，2個(gè)鉆孔之間間距約5m，而鉆孔距巷道的掘進(jìn)邊緣一般為10m。鉆孔在施工過(guò)程中，為了不偏離巷道的掘進(jìn)方向，確保鉆孔的瓦斯預(yù)抽范圍內(nèi)巷道的掘進(jìn)安全，應(yīng)采用保直措施，使鉆孔軌跡既不偏離巷道的掘進(jìn)方向，也不侵入巷道的掘進(jìn)范圍。而在具有突出危險(xiǎn)的煤層中，為了確保掘進(jìn)工作面的工作安全，防止煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)，常常會(huì)在掘進(jìn)工作面上施工深度較淺的防突鉆孔，以釋放地層和瓦斯壓力，降低掘進(jìn)工作面上的瓦斯含量，確保施工安全。這類鉆孔深度一般在1030m之間，鉆孔直徑一般100mm。鉆孔間距和排距各1

10、m左右。同時(shí)為了釋放煤壁的瓦斯，掘進(jìn)頭四周的鉆孔常常按外插角形式布置。在有些瓦斯含量特別高的煤層，有時(shí)也在煤巷兩側(cè)施工瓦斯排放孔，確保煤巷的正常掘進(jìn)。而這類防突鉆孔，由于施工設(shè)備簡(jiǎn)單，鉆孔深度較淺，我們不作為討論的重點(diǎn)。實(shí)踐證明，只要地層條件合適，設(shè)備配套，方法正確，該類鉆孔可起到良好的防突防噴效果，有利于加快巷道的掘進(jìn)速度。在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，一般各礦根據(jù)本礦區(qū)瓦斯賦存量和相對(duì)涌出量、回采工作面長(zhǎng)度等決定本煤層預(yù)抽鉆孔的布置方式。目前所采用的鉆孔布置方式主要有兩種，一種是沿工作面走向布置走向長(zhǎng)鉆孔，另一種是沿工作面傾向布置沿煤層鉆孔。沿工作面走向布置走向長(zhǎng)鉆孔的鉆場(chǎng)一般設(shè)置在回采終止線或尾

11、巷附近，鉆孔深度根據(jù)工作面長(zhǎng)度和具體的施工條件而定?，F(xiàn)有的設(shè)備能力已經(jīng)具備完成1000m鉆孔的施工能力，因此一般1000m以上的工作面，如果煤層成孔條件較好，水平長(zhǎng)鉆孔的設(shè)計(jì)深度可達(dá)到8001000m，每個(gè)工作面布置45個(gè)長(zhǎng)鉆孔，覆蓋整個(gè)工作面進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，如陜西銅川的陳家山煤礦，工作面長(zhǎng)度超過(guò)1000m，設(shè)計(jì)沿煤層鉆孔深度8001000m，鉆孔直徑113mm，采用ZDY10000S型鉆機(jī)，完成鉆孔深度達(dá)865m。而晉城煤業(yè)集團(tuán)，使用ZDY6000S、ZDSY6000L鉆機(jī)，施工500600m的沿煤層鉆孔效果良好。對(duì)于由于地層原因或設(shè)備能力問(wèn)題，施工深孔的條件受到限制時(shí)，可考慮將工作面劃分為幾

12、個(gè)區(qū)段，然后在分割的區(qū)段內(nèi)沿工作面走向布置鉆場(chǎng)和設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔深度一般在300500m。這種情況下可使用ZDY3200S、ZDY4000S、ZDY4000L等中深孔鉆機(jī)，施工沿煤層瓦斯抽采鉆孔。沿工作面傾向布置沿煤層鉆孔時(shí)，鉆孔布置形式有斜鉆孔、平行鉆孔和交叉鉆孔等。鉆孔深度一般80150m，終孔直徑94130mm，鉆孔間距1030m。根據(jù)實(shí)踐效果檢驗(yàn)，鉆孔向回采面方向呈斜角布置的鉆孔抽采(放)效果較好。陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)利用ZDY1200L、ZDY4000L鉆機(jī)施工這類鉆孔，由于搬遷方便，取得了良好的使用效果。3 穿層瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)穿層鉆孔是解決煤礦瓦斯的另外一種途徑。這類鉆孔根據(jù)其用

13、途和施工方法的不同又可分為兩類：一類是在煤層底板中施工專門的瓦斯工藝巷，從該巷道中通過(guò)施工上仰鉆孔，穿過(guò)具有突出危險(xiǎn)的松散煤層，抽采煤層中的瓦斯，降低其壓力，為煤巷掘進(jìn)和煤層回采服務(wù)。另一類是在煤層回風(fēng)巷道中施工上仰鉆孔，穿過(guò)煤層頂板及其上鄰近不可采煤層，利用煤層回采過(guò)程中的采動(dòng)影響，抽采鄰近層及部分采空區(qū)的瓦斯，降低回采工作面上的瓦斯?jié)舛?。煤層底板施工工藝巷進(jìn)行穿層鉆孔抽采瓦斯的方法，一般適用于具有強(qiáng)突出危險(xiǎn)的松軟煤層。這類煤層由于煤層松軟，所以在本煤層很難施工沿煤層鉆孔。而由于瓦斯含量高、壓力大，如果不采取預(yù)抽采的措施，則無(wú)法進(jìn)行煤巷掘進(jìn)；同時(shí)，由于瓦斯含量高、壓力大，如果在本煤層施工瓦斯

14、預(yù)抽采鉆孔，還有可能誘發(fā)瓦斯和煤的突出，所以不得已而采用這種高成本的瓦斯抽采方法。為了施工方便，這種瓦斯抽采工藝巷一般布置在欲掘進(jìn)煤巷的下方，離開煤巷的最小距離不少于15m。在工藝巷內(nèi)，每隔3050m設(shè)置一個(gè)專用鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工數(shù)量不等的鉆孔，成放射狀布置，不僅抽采欲掘進(jìn)巷道部分煤層及其影響范圍內(nèi)的瓦斯，也抽采欲回采煤層中的瓦斯，確保煤巷掘進(jìn)和煤層回采時(shí)工作面瓦斯不超限、不突出。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔數(shù)量，根據(jù)鉆場(chǎng)的間距，煤層的瓦斯含量，瓦斯壓力的大小，煤層的透氣性，巷道的面積和工作面的寬度等因素確定。一般情況下，每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔數(shù)量不少于10個(gè)。這類鉆孔的深度較淺，一般情況下不超過(guò)100m，而對(duì)

15、于緩傾斜煤層，鉆孔深度最大可達(dá)150m；鉆孔直徑一般不超過(guò)100mm。在有些情況下，例如遇到斷層帶等瓦斯富集區(qū)，會(huì)在煤層地板施工一些較短的專用瓦斯巷，在其中施工數(shù)十個(gè)甚至近百個(gè)不同方向、不同角度的鉆孔，覆蓋該區(qū)域，抽采其煤層瓦斯。這類鉆孔，一般穿過(guò)煤層，進(jìn)入頂板即終孔。這類鉆孔在煤層孔段，各鉆孔之間孔距應(yīng)盡量相近，確保在瓦斯抽采時(shí)，整個(gè)欲抽采區(qū)域的瓦斯能得到有效釋放，保證煤層的回采安全。這類情況由于鉆孔深度較小，均選用能力較小的鉆機(jī)，可取得較好的使用效果。煤層頂板施工穿層鉆孔抽采瓦斯的方法，一般選擇在回風(fēng)順槽或?qū)Ｓ孟锏?抽采巷道或注漿巷道)中進(jìn)行，它適用于回采煤層頂板巖石較好，上鄰近層不可采但

16、瓦斯含量高、壓力大的情況。這種情況下，上鄰近不可采煤層有可能是一層，也可能是多層，它們的共同特點(diǎn)是由于距離主采煤層較近，煤層回采后處于頂板裂隙帶范圍以內(nèi)。在采煤過(guò)程中，受采動(dòng)影響，鄰近不可采煤層中的瓦斯沿裂隙帶和冒落帶，大量涌入回采工作面，使瓦斯超限影響煤礦的安全生產(chǎn)，甚至?xí)斐蓢?yán)重的瓦斯事故。如果我們向煤層頂板施工上仰鉆孔，穿過(guò)上鄰近層，使鉆孔進(jìn)入頂板裂隙帶并施以負(fù)壓，受采動(dòng)影響進(jìn)入裂隙帶中的高濃度瓦斯就會(huì)被鉆孔抽采，使其不致涌入工作面對(duì)回采煤層造成影響。為了提高瓦斯的抽采效率，抽出高濃度的瓦斯，這類鉆孔的軌跡不能進(jìn)入冒落帶，否則會(huì)造成抽放瓦斯?jié)舛冉档?，起不到?yīng)有的效果。如果鉆孔的軌跡設(shè)計(jì)合

17、理，工作面回采超過(guò)鉆孔位置后，依靠鉆孔和裂隙帶的聯(lián)系，在一定時(shí)間內(nèi)仍然可抽采裂隙帶中的高濃度瓦斯，防止其涌入采空區(qū)而威脅回采工作面的安全，這個(gè)距離，一般在50m左右。施工時(shí)，在回風(fēng)順槽或?qū)Ｓ孟锏乐校扛?050m布置一個(gè)專用鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)呈扇形放射狀布置510個(gè)鉆孔。鉆孔深度一般100m左右，鉆孔直徑最大可到200mm，鉆孔傾角3545之間。角度的選取既要保證鉆孔軌跡不進(jìn)入冒落帶，又要保證在裂隙帶中有足夠的長(zhǎng)度。在有些情況下，當(dāng)鉆孔進(jìn)入裂隙帶后，采用降低鉆孔傾角進(jìn)行定向鉆進(jìn)的方法，以延長(zhǎng)鉆孔在裂隙帶中的長(zhǎng)度，提高抽采效果。例如陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)利用ZDY1900S、ZDY3200S鉆機(jī)，抽采上鄰近層

18、瓦斯，取得了良好的抽采效果。4 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)近20年來(lái)，我國(guó)不僅在煤礦井下瓦斯抽采方法方面，而且在瓦斯抽采鉆孔的施工設(shè)備和成孔工藝方面，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。專用的瓦斯抽采鉆孔設(shè)備從無(wú)到有、從小到大，現(xiàn)已具備了施工千米鉆孔的能力。但我們應(yīng)該看到，由于我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在定向瓦斯抽采鉆孔施工和松軟煤層鉆進(jìn)方面，和煤礦的實(shí)際需要相比，還有待于進(jìn)一步提高。預(yù)計(jì)再經(jīng)過(guò)23a的努力，在軟煤鉆進(jìn)方面，適用于軟煤鉆進(jìn)的中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)及螺旋鉆桿鉆進(jìn)方面將取得長(zhǎng)足進(jìn)步。在0.30.5的煤層中，鉆孔深度將會(huì)達(dá)到100m；在0.51的煤層中，鉆孔深度將會(huì)達(dá)到200m。在定向鉆進(jìn)方面，隨著螺桿鉆具的使用和適用于煤層井下條件的隨鉆測(cè)量定向儀的研制成功，在條件合適的情況下，無(wú)論沿煤層還是高位瓦斯抽采鉆孔，最大深度都會(huì)達(dá)到8001000m以上，甚至超過(guò)1200m，并根據(jù)不同的需要，形成500m以下、600800m的系列配套產(chǎn)品和工藝方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上的受控定向鉆進(jìn)。