煤矿高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究

煤矿高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究

王霜森

焦作煤业（集团）有限责任公司瓦斯治理工程公司 河南省焦作市 454000

摘要：煤矿井下水力压裂是将高压水注入煤层，促使煤体产生新裂隙，同时促进原生孔隙、裂隙扩张、延伸和贯通，提高煤体孔隙率和裂隙间的连通性，形成三维立体高渗裂隙网络结构，降低瓦斯运移难度。国内外学者在水力压裂机理、煤层瓦斯运移及工程应用方面进行深入研究。因此，选取高瓦斯低渗煤层(硬煤层)为研究对象，开展顺层长钻孔分段水力压裂增透技术研究，并在矿区进行工程试验，旨在完善硬煤层瓦斯抽采技术工艺，实现区域瓦斯超前治理，保障矿井安全、高效生产。

关键词：煤矿；高位定向长钻孔；瓦斯抽采技术

引言

煤田瓦斯储量丰富，在瓦斯利用方面拥有得天独厚优势的同时，也呈现出瓦斯涌出量大、煤与瓦斯突出危险性大的特点。在瓦斯治理经验上，我国已形成较为成熟的区域防突措施为主、局部防突措施补充的治理体系。为防治煤与瓦斯突出等事故，国家相继制定并出台了《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》等一系列文件，对采掘过程中的瓦斯治理工作进行了具体要求。此外，随着矿区采掘区域向深远部延伸后，由此带来的瓦斯抽采压力显而易见，各矿井抽采系统的改造工作势在必行。

1矿井抽采系统概况

试验矿井中马村矿3900工作面（里段）地面位于张田河老村以北，所在区域地面大部分为农田，工作面中部上方有一条主干路—东海大道，西翼上方有一条次干路—罗解路。原始瓦斯含量最大为17.56m3/t，原始瓦斯压力最大为0.5MPa，经实施区域防突措施后实测煤层残余瓦斯含量最大为5.76m3/t，实测煤层残余瓦斯压力为0MPa。煤层属Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸性。矿地面现建有高、低负压瓦斯抽采系统，压风自救系统由矿内压风机房和罗庄压风机房两个分系统通过管路向井下供风。矿内压风机房服务井底车场、27采区和选煤厂；罗庄压风机房服务39采区。采掘工作面均按规定安设了压风自救装置。矿井在罗庄工业广场建立一座地面瓦斯抽采泵站，安装4台瓦斯抽采泵，其中2台2BEC42型（130m3/min）、2台2BEC60型（300m3/min），能够实现2台工作、2台备用；井下建有一座移动瓦斯抽放泵站，位于3901（上）回风巷（服务于底抽巷分源抽采及工作面上隅角逸散瓦斯的抽采），主要服务于井下三、四采区的揭煤、本煤层预抽区域；低负压瓦斯抽采系统安装有2台SKA-520型水循环式瓦斯抽采泵，一台工作一台备用：单泵抽放能力257m³/分，主要服务于井下采空区、工作面上隅角、密闭墙等卸压区域及三、四采区采掘工作面预抽钻场。矿井高、低负压抽采系统主管路经回风立井进入井下，敷设至各瓦斯抽采点，主、干管路全长约5千米。随着矿井采掘区域向深部延伸和采空区逐渐增多，瓦斯压力大，抽采管路长、阻力增大等问题凸显。

2压裂工艺流程

煤矿井下硬煤层分段水力压裂工艺流程包括压裂工具定位、裸眼坐封阶段、压裂阶段、保压放排4个阶段。采用由孔底向外的“后退式”压裂施工顺序，孔底为第一分段、向孔口后退，压裂工具依次拖动至设计位置进行压裂施工。1)压裂工具定位根据硬煤顺层定向长钻孔轨迹，确定硬煤定向长钻孔的分段数量和封隔器的封隔位置。按照压裂工具组合连接压裂工具，送入指定有封隔位置。2)裸眼坐封压裂开始时，在高压泵组的驱动下，高压流体进入封隔器胶筒，胶筒在流体压力作用下发生膨胀，封堵钻孔环空空间，完成硬煤裸眼坐封。封隔器胶筒膨胀变形后，实现了钻孔环空封孔以及胶筒两端的阻隔。3)分段压裂裸眼坐封完成后，有效实现了增加压裂泵组的排量和压力进行压裂施工。在实际压裂过程中详实记录了压力、流量等施工参数；由于硬煤裂隙以扩张延伸为主，还需要对施工区域煤岩浸水情况进实时监测，为压裂效果分析提供可靠详实有效的数据作为依据。4)保压放排完成设计注水量，分段压裂施工结束。关闭压裂工具阀门，进入保压阶段。在自然滤失作用下，孔内压力自然降低、重新平衡。管柱压力小于地层压力时，保压结束。打开孔口阀门，封隔器解封，放排孔内积水，连接管路进行瓦斯抽采。

3煤矿高位定向长钻孔瓦斯抽采技术

3.1新型保压注浆封孔装置

经过分析瓦斯抽采钻孔的裂隙和围岩应力，封孔的注浆压力的提高能够确保其封孔成效。关于“两堵一注”封孔工艺现存的缺陷，新型保压注浆封孔装置被研究与设计出来，图5就是该装置的示意图。回水阀、多孔管抽采管、注浆阀、孔内囊袋、孔口囊袋等部分构成了该装置。选取瓦斯抽采管和内切于出浆管与注浆管的设计的一体化，使“多管合一，一管多用”的方针得以完成，把存在漏浆通道的三角区域消除，能够使孔壁、封孔囊袋与抽采管之间的密封性提高，使注浆压力在封孔段得以最大限度的提升，促进浆液能很好地渗入孔周裂隙，为封孔成效提供了保障。

3.2定向钻进装备选型

考虑到设计钻孔的深度为5到7百米，属于超深钻孔，且孔径为153mm，相对较大，因此，需选择钻进能力大，可采用大直径钻具的钻机。另外，由于煤矿地质条件较为复杂，煤层周围存在多个地质构造，加之顶板上方有多个泥岩层，强度较低，钻孔成型质量将会受到影响，因此，钻机还需具备处理塌孔事故的能力。综合考虑，最佳钻机选择方案为ZYL-17000D履带式全液压千米定向钻机。ZYL-17000D履带式千米定向钻机配备Φ89mm五级螺杆钻具，其功率较大，要求的泥浆流量不低于375L/min。为了满足大功率螺杆钻具对泵压和流量的要求，同时，考虑井下运输搬迁要求，泵车需选择较大流量的煤矿井下定向钻进用全液压履带泵车。由于钻孔孔径较大，施工时需采用定向扩孔工艺，同时可提升顶板高位定向钻孔瓦斯抽采效果。另外，由于煤矿地质条件较为复杂，为避免钻孔发生塌孔后无法处理，选型扩孔钻杆要具备复杂地层高效排渣的能力。经过综合分析和考虑，优选Φ89mm大通径宽翼片螺旋钻杆用于回转扩孔钻进。

3.3钻孔参数确定

（1）钻孔深度及孔径钻孔的孔深主要与岩层情况、钻机能力、瓦斯含量等因素有关。另外，钻孔深度增大后，其钻进效率及瓦斯抽采效率都会随之降低。煤矿15508工作面倾向长度为180m，走向长度为1500m，钻孔可按500m为间距，分为三段布置。为保证瓦斯抽放效果，综合考虑各影响因素，确定钻孔深度为500~700m。（2）钻孔数量及间距根据以往采空区瓦斯治理经验，高位定向钻孔一般与巷道平行布置。考虑到钻孔施工时相邻钻孔间会相互影响，为了保证施工进度及钻孔轨迹精度，高位钻孔的间距需控制在5~10m之间，因此各钻场的高位孔数量应小于10个。考虑现场实际条件，确定每个钻场施工3个钻孔。根据通风实测数据推测，煤矿15508工作面在回采期间，其瓦斯最大涌出量为9m3/min，其中60%为采空区内的瓦斯。为提高抽放效果，设计布置3个直径为153mm的钻孔，钻孔间距为10m，各钻孔与回风巷分别相距15m、25m及35m。（3）钻孔剖面布置形式高位钻孔开孔位置一般选择在同一条水平线上，即高度一致，若所开采煤层的走向趋势无法确定，则钻孔在剖面上可选择上下分层布置，即布置两排不同高度的钻孔。煤矿15508工作面煤层走向不明，则其钻孔布置形式采用上下分层布置。

结束语

根据高位定向钻孔的设计参数，结合巷道条件及地层条件，对定向钻机、泥浆泵车、螺杆钻具等定向钻进装备进行了合理选型。在现有生产条件下，对井下抽采支管采取并管提压、联网控制等技术改造措施，可有效提升矿井瓦斯抽采能力和生产效率。

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