淮南矿区瓦斯抽采中以孔代巷技术研究与工程实践

针对淮南矿区顶板岩层复杂地质条件和瓦斯赋存运移特征,开展了以孔代巷技术研究,从采动裂隙发育规律和钻孔瓦斯抽采特征等方面,分析了高位大直径定向钻孔替代高抽巷的技术原理。通过施工勘探孔探明顶板钻遇地层详细信息,以此优化高位定向钻孔层位布置、钻具组合和钻进参数。瓦斯抽采结果表明:煤层顶板以上38 m层位、距轨道巷煤壁26 m钻孔瓦斯抽采流量大、浓度高;随着高位大直径定向钻孔抽采瓦斯纯量增加,工作面上隅角瓦斯体积分数逐步降低,并稳定在0.03%左右;高位大直径定向钻孔瓦斯抽采纯量平均11.07 m~3/min,平均体积分数31.39%,与邻近高抽巷瓦斯抽采水平相当。应用结果表明,利用以孔代巷技术进行顶板瓦斯抽采是可行的,研究可为井下瓦斯高效抽采与治理提供借鉴。     

采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势

为了解决采用专用巷道和埋管法抽采工作面采空区瓦斯存在的施工成本高、效率低等问题,基于顶板高位钻孔抽采采空区和上隅角瓦斯抽采技术原理,提出由预抽钻孔和高位钻孔构建的煤与瓦斯共采体系,分析了现有回转钻进技术和滑动定向钻进技术施工高位钻孔的优点和不足,介绍了最新开发的复合定向及大直径回转扩孔钻进技术方法与试验应用情况,高位定向钻孔成孔深度达到1 026 m,成孔直径达到153 mm;同时针对当前高位定向钻孔存在的一次成孔直径小、二次回转扩孔速度慢、裸孔完孔易堵塞瓦斯抽采通道等问题,提出大直径一次成孔技术、复合扩孔钻进技术和筛管完孔技术的发展趋势,以进一步提高高位定向钻孔的一次成孔直径、钻进效率、钻孔深度和钻孔利用时间,降低施工风险,提高高位钻孔经济性和瓦斯抽采效果。     

大直径定向钻孔高效成孔钻进技术应用

为了提高寺河煤矿工作面上隅角和回风瓦斯的治理效果,根据工作面顶板覆岩地质特征及开采条件,在煤层上覆顶板岩层内施工顶板高位大直径定向钻孔,依据经验公式确定了顶板大直径高位定向钻孔布置层位。针对顶板硬岩大直径定向钻孔施工过程中先导定向钻孔钻进及分级扩孔效率低的问题,将冲击螺杆马达、扭力冲击器与双级双速扩孔钻具分别应用于定向先导孔与扩孔施工,以提高顶板高位大直径定向钻孔整体施工效率。应用效果表明：冲击螺杆马达成孔技术与扭力冲击旋转扩孔技术提速效果显著,最高钻进速率分别为13.6m/h和11.1m/h,最终形成的200mm大直径高位定向长钻孔保证了钻孔轨迹在煤层顶板裂隙带内有效延伸,实现了对采动卸压瓦斯的持续稳定抽采,取得了良好的瓦斯抽采和治理效果,平均单孔瓦斯抽采量达到3.36m/min,单孔瓦斯瞬时最大抽采量可达26.0m/min。     

顶板高位定向大直径长钻孔钻进技术与装备

顶板高位钻孔是治理采空区瓦斯的有效技术手段之一,利用随钻测量定向钻进技术施工顶板高位定向钻孔可显著改善采空区瓦斯治理效果和经济效果。针对当前顶板高位定向钻孔钻进深度浅、钻进效率低和安全措施不够等问题,研制了大功率定向钻进装备、优化了钻进成孔工艺方案和扩孔钻具级配、开发了复合定向钻进技术和大直径扩孔技术等,形成了完整配套的定向钻进技术与装备。现场试验施工的大直径顶板高位定向长钻孔孔径达到153mm,孔深达到1026m,先导孔钻进效率大于41m/班。试验结果表明,研究的钻进技术和装备满足大直径顶板高位定向长钻孔实钻深度、直径和速度的需要,可用于大型工作面的采空区瓦斯抽采治理,对煤矿安全高效开采意义重大。     

采空区顶板超长定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究

针对成庄矿综采工作面采空区瓦斯涌出量大的问题,以千米钻机深孔钻进技术和配套装备为依托,应用试验了采空区顶板超长定向高位钻孔瓦斯抽采技术;通过研究确定采空区"三带"分布范围及瓦斯富集区,设计了合理的采空区顶板超长定向高位钻孔布置参数。试验考察结果表明,超长定向高位钻孔瓦斯抽采技术具有钻孔施工工程量小、定位好、抽采稳定、抽采率提高的优点,取得了显著抽采效果。     

煤层顶板硬岩大直径定向钻孔施工关键技术

根据顶板高位定向钻孔快速钻进成孔与工作面卸压瓦斯高效抽采治理需要，针对现有螺杆马达定向钻进技术与分级扩孔方法存在的问题，开展了顶板硬岩定向钻进与大直径扩孔钻进关键技术研究，开发了冲击回转定向钻进技术、扭冲回转定向钻进技术、扭冲旋转扩孔技术以及双级双速扩孔技术等钻孔提速新技术，研制了冲击螺杆马达、矿用小直径扭力冲击器、双级双速螺杆马达、组合式扩孔钻头等配套钻具。综合试验结果表明，硬岩定向钻孔平均机械钻进效率达到8.34 m/h，最高达到13.6 m/h，较常规螺杆马达定向钻进技术提升20%~30%；硬岩大直径扩孔终孔直径达到200 mm，机械钻进效率平均达到5.6 m/h以上，最高达到10.5 m/h。该技术提升了顶板硬岩定向钻进效率与大直径扩孔钻进效率，缩短了顶板高位定向钻孔的综合施工周期，为大直径高位定向长钻孔快速成孔与高效抽采治理回采工作面卸压瓦斯提供了可靠的技术手段。     

高位定向长钻孔抽采技术在上隅角瓦斯治理中的应用

根据象山矿井5#煤层煤系地层赋存条件,分析了采空区瓦斯富集区层位,设计施工5个顶板高位定向长钻孔进行采空区瓦斯抽采治理。现场抽采结果表明:顶板高位定向长钻孔布置层位高度20~22m,水平内错距离0~45m较为合理;通过进行5#煤层顶板定向长钻孔抽采技术应用,工作面日产量大幅提升,而工作面上隅角瓦斯浓度由此前长期维持在0.7%降至0.4%左右,有效遏制了上隅角瓦斯超限事故,实现了取消高位裂隙钻孔和采空区埋管抽采的目标。     

大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析

为进一步提高采空区裂隙带瓦斯抽采效果以保障工作面回采期间安全,提出了一种大直径顶板定向长钻孔(?203 mm)进行采动区裂隙带瓦斯定向抽采技术,并对其施工工艺、钻孔布置合理层位及抽采效果进行了研究。结果表明,钻孔布置的合理垂直高度45～50 m,钻孔与工作面回风侧的水平间距40 m。与高抽岩巷、普通顶板高位钻孔等常规采动区瓦斯治理方法相比,大直径顶板定向长钻孔的抽采量与高抽岩巷相当,是普通顶板高位孔抽采量的2.04倍;工程量大幅度降低,大直径顶板定向长钻孔既能实现高效率抽采,又达到节约工程量、降低施工成本等效果。大直径顶板定向长钻孔的成功应用为以孔代巷及传统顶板高位孔工艺的改进提供了实践基础和发展方向。     

复杂地层大直径高位定向钻孔代替高抽巷瓦斯抽采可行性及效果分析

针对高抽巷瓦斯抽采存在施工成本高、周期长、劳动强度大等问题,开展在复杂地层中采用定向钻机施工大直径高位定向钻孔代替高抽巷的技术研究,并形成 “定向先导孔+正向分级扩孔”成孔工艺,确保特殊地质条件下大孔径钻孔的成孔率。赵庄煤业在3307和1309工作面施工大直径高位定向钻孔,最大孔深突破600 m,最大孔径203 mm。1309工作面大直径高位定向钻孔单孔最高日抽采量突破3.3万m³,单个钻场最高日抽采量突破5万m³,与高抽巷瓦斯治理能力相当,证明了复杂地层条件下定向钻机施工大直径高位定向钻孔代替高抽巷抽采瓦斯的可行性。结合“竖三带”和椭抛带理论,对大直径高位定向钻孔最佳布孔范围进行了分析和确定。     

顶板高位定向钻孔瓦斯(CO2)治理技术研究与应用

海石湾煤矿是罕见的煤与瓦斯(CO₂)突出矿井，为进一步降低工作面回风流和上隅角瓦斯(CO₂)浓度，设计在6224-1工作面回风巷施工顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯(CO₂),以孔代巷，解决回采工作面采空区瓦斯(CO₂)涌出问题；结合“竖三带”理论，对大直径高位定向钻孔最佳布孔范围进行了分析和确定，通过定向钻进技术使钻孔分布在煤层顶板回采断裂带(“O”型圈)内，保障工作面回采过程中的瓦斯抽采通道。顶板高位大直径定向钻孔在平面上的布置距离回风巷10～70 m(控制工作面倾斜长度1/3);高程布置距离煤层顶板16～28 m,有效降低了工作面回采时上隅角和回风流中的瓦斯(CO₂)浓度。工程应用表明，大直径顶板高位定向钻孔在瓦斯(CO₂)治理的效果、成本、施工效率等方面均优于传统高位普通拦截钻孔。     

顾桥煤矿顶板复杂地层高位定向钻孔技术

针对顾桥煤矿顶板复杂地层中施工高位定向钻孔时存在的目标层较薄、成孔困难的问题,选配了合理钻具,通过地层探查定向钻孔确定了顶板复杂地层结构及地层信息进而优化了定向钻孔目标层位置,总结了复杂地层中定向钻孔轨迹控制经验,最终在顾桥矿顶板复杂地层中成功施工了7个孔深500 m以上的高位定向钻孔,提高了复杂地层中高位定向钻孔成孔率,有利于高位定向钻孔抽采瓦斯技术在复杂地层中的推广应用。     

大直径高位定向孔一次钻扩技术及瓦斯抽采效果分析

针对“U”型通风回采工作面采动卸压瓦斯常规治理方式存在的综合效率低、治理成本高等问题,以山西晋城矿区某煤矿生产工作面为研究对象,提出采用φ200 mm大直径高位定向钻孔进行采动卸压瓦斯治理;基于该煤矿顶板大直径高位定向钻孔成孔技术难点分析,选型了关键钻进装备,包括ZDY20000LD型定向钻机、BLY460型泥浆泵车和多动力扩孔钻具;开发了复合强排渣定向钻进技术与多动力一次扩孔技术,实现了复杂地层条件下φ120 mm高位孔定向钻进与φ200 mm一次钻扩成孔,综合成孔效率较常规多次分级扩孔方式提高50%以上。瓦斯抽采效果表明：距煤层顶板30～40 m、距回风巷道40 m区域范围是采动裂隙密集发育区,钻孔平均瓦斯抽采体积分数保持在40%以上、最大瓦斯抽采纯量10.94 m³/min,效果显著。     

唐口煤矿高位定向钻孔工艺的优化及应用

基于采空区顶板竖"三带"理论和"O"形圈理论,并结合矿井实际情况,确定了唐口煤矿高位定向钻孔轨迹设计参数。针对开孔煤层段和泥岩段的钻进情况,对高位定向钻孔工艺进行优化设计,提出将套管下入顶板以及采用螺旋定向钻杆用于泥岩段的方案。通过对高位定向钻孔工艺进行优化设计,可保证高位定向钻孔在泥岩段顺利爬升至设计高度,提高了瓦斯抽采效果。后期瓦斯抽采数据表明,高位钻孔轨迹参数选择合理,经过优化的高位定向钻孔工艺充分发挥了高位定向钻孔钻孔成本低、瓦斯抽采效果理想的优势。并针对现有的施工情况,提出终孔直径对抽采效果影响的研究思路。     

复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术

针对亭南煤矿顶板高位定向钻孔施工存在的开孔段地层破碎、定向孔段泥岩缩颈、两级扩孔效率低和瓦斯抽采通道易堵塞等问题,提出了复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术;集成了大直径套管护孔、缩颈地层扩孔、双级双速一次扩孔和钢筛管完孔等关键技术,配套了大功率定向钻机、泥浆泵车、随钻测量装置、液动螺杆钻具和双级双速扩孔螺杆钻具等钻进装备。在亭南煤矿3410工作面钻场进行了现场应用,顺利施工了2个顶板高位定向钻孔,成孔深度分别为511、610 m,孔径?200 mm,单班扩孔进尺在60 m以上,全孔下入?89 mm护孔钢筛管,钻进过程安全高效,为复杂顶板高位定向钻孔施工提供了一种新的技术途径。     

煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势

基于采空区顶板竖"三带"与横"三区"理论,分析了顶板高位定向长钻孔技术瓦斯抽采基本原理与优势,总结归纳了"定向先导孔+扩孔"施工工艺的技术特点,介绍了施工装备系统组成。利用该成孔技术与装备在陕西彬长集团文家坡煤矿4101工作面进行了现场试验,完成顶板高位定向长钻孔2个,累计钻孔进尺1 221 m,单孔主孔深度超过480 m。同时,针对现有顶板高位定向钻孔施工技术存在的问题,提出引入液动冲击辅助碎岩扩孔钻进技术与大直径孔定向钻进技术,进一步增大钻孔终孔直径,提升钻孔施工效率,保证钻孔施工安全。     

高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理中的应用

针对工作面回采后采空区瓦斯易超限问题,采用螺杆马达结合随钻测量技术的定向钻进工艺,在桃园矿1029工作面施工了3个长距离煤层顶板大直径定向钻孔,最大孔深531m,累计进尺1701m(含分支孔),通过精准控制钻孔轨迹,使钻孔沿煤层顶板裂隙带延伸,有效抽采煤层回采后采空区内瓦斯,总结了一套适用于采空区瓦斯治理的高位顶板长钻孔施工方法,保障了煤矿安全高效生产。     

高位定向长钻孔瓦斯抽采技术应用

采用ZYWL-6000DS定向钻机在山东唐口矿施工顶板高位定向长距离钻孔,最大孔深达到了555m。根据“O形圈”理论,通过对比分析不同布孔高度定向长距离钻孔的瓦斯抽采数据及效果,得出布置定向钻孔的最佳高度。对比分析了高位定向长钻孔和顶板穿层普通钻孔的瓦斯抽采效果,证明定向长距离钻孔的抽采效率更高、经济效益更好。随着工作面回采推进,高位定向长钻孔对降低采空区和上隅角瓦斯发挥了一定的作用。定向钻进技术具有在唐口矿区进一步推广应用的价值,可以提高瓦斯治理和探放水效率,促进煤矿安全生产。     

裂缝带顺层长钻孔瓦斯抽采技术研究

为进一步提高采空区裂缝带瓦斯抽采效果、降低矿井瓦斯治理成本,保证工作面安全回采,曙光煤矿引进大直径顶板定向长钻孔技术对工作面覆岩裂缝带瓦斯进行抽采,同时对高位定向钻孔布置层位及施工工艺进行了研究。现场工业性试验表明,垂直方向上定向钻孔层位布设于裂缝带中下部瓦斯聚集区域17.1~22.8 m;水平方向上钻孔分布范围距回风巷15~35 m,钻孔间距为10 m。与普通高位钻孔抽采技术相比,该套技术不仅大幅减少高位钻场数量和钻孔进尺量,显著缩短施工工期和降低施工成本,而且瓦斯抽采效果明显优于常规钻进技术,平均单孔瓦斯抽采纯量由0.15 m³/min提高到1.55 m³/min,提高了9倍;钻孔抽采寿命由18~33 d提高到146 d以上,提高了4倍以上。     

顶板高位大直径定向钻孔抽采瓦斯治理技术应用研究

晋煤集团寺河矿是罕见的高瓦斯矿井,为进一步降低工作面回风瓦斯,设计在W1305工作面进行顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯技术应用实验,通过理论分析、现场实体检测等方法表明,顶板高位大直径定向钻孔平面上距离巷道15～60 m较合理;剖面上距离煤层顶板30～45 m,钻孔瓦斯抽采浓度较大;其介入瓦斯抽采前回风巷上隅角各采集点的瓦斯浓度较高,最高达到0.65%,高位钻孔介入抽采后下降至0.4%,工作面瓦斯治理效果显著。     

ZDY4000S全液压坑道钻机在煤矿高位钻孔中的应用技术研究

淮北矿区松软低透气性煤层瓦斯抽采孔施工困难。海孜矿采用ZDY4000S钻机施工高位钻孔替代高抽巷进行瓦斯抽采;桃园矿采用定向钻进技术施工顶板穿层高位钻孔治理工作面上隅角瓦斯超限。2种施工技术及方法取得了很好的试验效果,并在淮北矿区进行了进一步的推广应用。