短钻孔快速抽采工艺在长距离掘进工作面的应用

针对目前高瓦斯煤巷长距离掘进工作面瓦斯治理措施存在成本高、因回风流瓦斯体积分数高而影响掘进速度等问题,提出在长距离掘进工作面应用短钻孔快速抽采工艺,即利用检修班时间采用短钻孔进行掘进工作面快速集中抽采,通过短时间、高强度抽采小范围瓦斯,减小掘进工作面及回风流通风压力,提高煤巷掘进速度。短钻孔快速抽采工艺从时间和空间上克服了现有技术的不足,将掘进工作面长距离长时间瓦斯抽采变为短距离短时间的高效抽采。在山西霍尔辛赫煤矿3605回风巷的应用结果表明,应用短钻孔快速抽采工艺可在控制回风流与工作面瓦斯体积分数和成本的前提下,将煤巷掘进月累计进尺由170 m提高到250 m,提高了近50%,实现了对低透气性煤层长距离掘进工作面瓦斯的有效治理。     

长距离定向钻孔瓦斯抽采技术在青龙煤矿的应用

贵州省煤矿地质构造复杂、瓦斯含量高、煤层松软,瓦斯治理难度大。为了提高该区域瓦斯治理水平,在青龙煤矿21601工作面运输巷Y3点向前5~205 m处,利用千米钻机进行长距离顺层条带定向钻孔瓦斯抽采技术的现场应用。通过定向钻进技术和分支孔控制技术保证钻孔轨迹控制精度,避免了盲钻、盲抽等现象。应用结果表明:2次煤样检测得到的瓦斯可解吸量分别为1.7729,2.1913 m 3/t;残余瓦斯含量分别为4.7739,5.1704 m 3/t,均小于8 m 3/t,满足矿井瓦斯抽采的基本要求;平均瓦斯抽采纯量达到1.26 m 3/min,比原来提高了12%;与常规钻孔相比,采用定向钻孔抽采的瓦斯体积分数提高了50%,瓦斯治理效果显著。     

顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究

为进一步增加顺煤层定向钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率,分析了顺煤层超长定向钻孔钻压传递影响因素,包括钻孔轨迹、钻孔深度、孔内沉渣和钻遇地层;以保德煤矿2 570m顺煤层超长定向钻孔为工程背景,对复合定向钻进状态下钻压传递规律进行了研究。研究结果表明:①随着钻孔深度的增加,滑动定向钻进给进压力呈指数型上升,最终达到钻机额定给进压力,钻压传递效率降低;复合钻进状态下,随着钻孔深度的增加,复合钻进给进压力始终保持在较低水平,且远低于钻机额定给进压力,钻机回转压力近似呈线性增长,但低于钻机额定回转压力,钻压传递效率高。②泥浆泵泵压和泵量越高,排渣效率越高,钻具摩擦阻力越小,钻压传递效率越高,反之钻压传递效率越低。     

煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术及应用

为解决试验矿井采用传统抽采技术存在巷道掘进速度慢、采掘接替紧张的问题,提出采用深孔定向钻进瓦斯抽采技术施工定向长钻孔替代常规钻孔进行煤层瓦斯抽采的方案。定向钻进对煤层有效作用面积大,可以大范围改变煤体原始应力的分布,从而打破煤层瓦斯吸附-解吸的动态平衡,使大量吸附态瓦斯转化为游离态;在钻孔负压与煤体地应力和瓦斯压力形成的压力梯度作用下,游离态瓦斯源源不断地流向钻孔空间,使周围煤体瓦斯得到有效排放,煤体发生收缩变形,透气性系数大幅增加,地应力与瓦斯压力梯度减小,从而使得定向长钻孔抽采影响范围扩大,实现煤层瓦斯大面积有效抽采。试验结果表明:采用深孔定向钻进技术施工定向长钻孔成孔良好,试验钻孔总进尺为2 213m,主孔最大孔深达523m,日均抽采纯量为3 528m~3;钻孔平均瓦斯抽采体积分数高达88.3%,最高为98.0%;单孔平均瓦斯抽采纯量为1.23m~3/min,最大超过2m~3/min,瓦斯抽采效果显著;与常规钻孔抽采相比,定向钻孔单孔瓦斯抽采纯量提高了16倍多,单孔瓦斯抽采体积分数提高了2～4倍,巷道月均进尺提高了1倍多。     

祁东煤矿近距离煤层群瓦斯治理顶板拦截定向钻孔试验

针对现有近距离煤层群瓦斯治理方法存在工程量大、成本高、周期长的问题,以祁东煤矿94采区为研究对象,提出了采用顶板拦截定向钻孔进行瓦斯治理的方法：首先在开采煤层顶板施工带有多个上向分支孔的顶板拦截定向钻孔,然后利用上向分支孔提前对上邻近煤层瓦斯进行预抽,最后利用主孔在煤层回采过程中对上邻近煤层卸压瓦斯和开采煤层回采工作面及采空区瓦斯进行抽采,从采前预抽和采动卸压抽采2个方面提高了近距离煤层群瓦斯抽采效果,解决了瓦斯赋存参数测量、复杂破碎地层定向成孔与护孔等难题。针对顶板拦截定向钻孔设计与施工难题,采用定向钻孔煤层探查与保压密闭取芯技术、复合定向钻进与复合排渣技术、钢筛管完孔技术,实现了近距离煤层群中顶板拦截定向钻孔高效成孔和长距离精准瓦斯测定。在祁东煤矿94采区进行了现场试验,完成顶板拦截定向钻孔1个,主孔深度608 m,施工分支孔6个,密闭取芯测试瓦斯含量2次,下入护孔筛管485 m,进行瓦斯抽采试验207 d,初始瓦斯抽采纯量为0.35 m³/min,抽采30 d后逐渐下降至0.1 m³/min以下,抽采65 d后整体稳定在0.05 m³/min左右。试验结果表明,顶板拦截定向钻孔可有效预抽邻近煤层瓦斯,提前降低煤层瓦斯含量,从源头上减少后期工作面回采时的采动卸压瓦斯涌出量。     

综放工作面初采期抛物线型高位钻孔瓦斯抽采研究

针对采用常规高位定向长钻孔在工作面初次来压期间瓦斯抽采效果不佳的问题,以中煤华晋集团有限公司王家岭矿12309综放工作面为工程背景,通过物理相似模拟和数值计算分析了初采期综放工作面煤层顶板覆岩结构和裂隙发育规律：初采期的煤层顶板裂隙发育高度低、数量少,随着工作面的推进,顶板裂隙逐步发育,裂隙发育的高度和范围随着推进距离的增加而增大,裂隙最大发育高度约为28 m,工作面来压步距约为50 m;初采期工作面瓦斯浓度和涌出量较大,沿工作面倾向,瓦斯浓度从20~150架支架逐渐增大,沿工作面走向,由煤壁300 mm至后刮板输送机瓦斯浓度逐渐增大,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上,瓦斯涌出量整体上呈上升趋势,且有明显的阶段性特征。根据现场实际情况和初采期综放工作面瓦斯涌出特征、覆岩结构及裂隙演化规律,对初采期的常规高位定向钻孔的轨迹进行了优化设计,提出了初采期抛物线型高位定向钻孔瓦斯抽采方法。将钻孔的终孔位置设计在煤层里,与采空区直接导通,用于工作面初采期采空区低位瓦斯抽采,解决了初采期常规高位水平长钻孔层位较高的问题。现场应用结果表明：相比于常规高位定向钻孔,采用抛物线型高位定向钻孔可在工作面采空区基本顶初次来压前有效抽采采空区低位瓦斯,瓦斯抽采纯量平均提高了约37%,上隅角和回风流最大瓦斯体积分数均小于0.80%,达到了瓦斯抽采的预期效果。     

长钻孔远距离定点瓦斯含量测定研究

针对定向长钻孔定点取样测定瓦斯含量存在取样时间长,因现场无解吸量而无法准确测定煤层瓦斯含量的问题,提出采用类比法推算取样过程瓦斯损失量和常压瓦斯解吸量的方法。在相同地质条件和瓦斯地质单元内,将普通回转钻机浅孔风排粉取样瓦斯含量测定结果中的损失量和现场瓦斯解吸量占总瓦斯含量的比例作为标准,类比为千米定向钻孔深孔定点取样损失量和现场解吸量占总瓦斯含量的比例,将类比的损失量和现场解吸量所占的比例加入最终所测定的残余瓦斯含量中,得到千米定向钻机深孔定点取样总瓦斯含量。将该方法用于平煤十一矿己16-17-24070工作面长钻孔瓦斯含量测定,对千米定向钻孔取样瓦斯含量测值进行修正。测试结果表明,运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与短钻孔直接法测定的瓦斯含量测值对比,平均误差由12.07%降至0.19%;运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与瓦斯含量预测值对比,平均误差由12.90%降至4.71%。     

顶板走向高位长钻孔分源抽采采空区瓦斯技术研究与应用

Y型通风连续回采工作面采用沿空留巷技术提高煤炭采出率,随着工作面回采,采空区会扩大、连通,回风隅角和挡矸架内风流不畅,瓦斯不仅容易积聚,还很难稀释吹散,导致超限报警频繁。目前针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题的解决方案,无法实现对采空区的持续抽采,且抽采能力较为分散,难以保证治理效果。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题,以东峰煤矿3202工作面为工程背景,提出一种跨工作面采空区瓦斯抽采技术。在相邻工作面的回风巷内施工定向长钻孔至采空区顶板断裂带,定向长钻孔抽采管路在工作面回采后无需撤管,可持续抽采采空区瓦斯,最大限度降低采空区及其顶板断裂带瓦斯存量,形成跨工作面,对采空区瓦斯进行抽采,减少了相邻采空区积聚瓦斯,有效防止顶板大面积垮落时采空区瓦斯突然扇出带来的瓦斯灾害。试验结果表明:跨工作面钻孔距离巷道顶板30~40 m,跨工作面定向长钻孔终孔位置在水平方向上距轨道巷20~40 m时抽采效果理想;施工定向长钻孔至采空区顶板断裂带,持续抽采采空区瓦斯,挡矸架内的瓦斯体积分数由0.67％降至0.22％,回风流瓦斯体积分数由0.47％降至0.18％,回采期间3202工作面瓦斯体积分数保持在0.6％以下。跨工作面采空区瓦斯抽采技术为采空区的瓦斯抽采方式提供了新思路。     

基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式

以成庄矿为例,分析了定向钻进技术在顺层钻孔抽采实体煤、高位钻孔抽采采空区、跨破碎带抽采待掘区域等方面的应用,研究了基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式:针对实体煤层采用顺层递进模块式抽采技术,通过长时间、大范围抽采及预抽模块、掘进工作面、回采工作面的循环递进,实现回采煤量和抽采煤量的良性接替;针对"U"型通风上隅角瓦斯集聚区域采用顶板高位定向钻孔抽采技术,高位定向钻孔通过裂隙带与上隅角构成连通系统,采空区内瓦斯通过裂隙被钻孔抽出,从而降低采空区内瓦斯浓度;针对破碎煤层采用煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术,主孔布置于顶板中,钻孔跨越破碎煤体后施工梳状分支钻孔进入煤层,从而掩护下一阶段巷道掘进;针对煤层积水情况采用顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术,煤层中积水排采钻孔和顶板中瓦斯抽采钻孔在空间上实现水-气流场联通,煤层孔排水降压后利于顶板孔抽采瓦斯。采用该瓦斯抽采模式后,成庄矿瓦斯抽采率达60%以上。     

顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术

顶板高位定向钻孔是煤矿井下采动卸压瓦斯治理的重要手段,受钻进装备限制,顶板高位定向钻孔一次成孔直径小,需孔群布置才能达到良好的抽采效果。针对该问题,开发了先施工定向先导孔、再利用钻机回转钻杆带动孔内扩孔钻头对先导孔进行分级增扩的顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术。基于等转矩原理分析确定了扩孔直径级配参数,研制选配了螺旋刀翼型组合式扩孔钻头、高强度高韧性扩孔钻杆、大功率定向钻机、高压大流量泥浆泵车等钻进装备。在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿W1304工作面进行现场试验,结果表明采用正向多级大直径扩孔技术可使顶板高位定向钻孔直径由96mm增大至153mm,工作面回采期间回风最大瓦斯体积分数为0.47%,直径153mm钻孔瓦斯抽采流量为直径96mm钻孔的近3倍,瓦斯抽采效果显著。     

急倾斜厚煤层瓦斯分源抽采技术的应用

为解决大黄山煤矿735综采工作面回采期间瓦斯超限问题,分析了工作面瓦斯涌出的主要来源,提出采用瓦斯分源抽采技术抽采瓦斯的方法,即优化抽采管路,通过穿层钻孔直接抽采采空区瓦斯,实现采空区与本煤层瓦斯分源抽采。应用结果表明,实施瓦斯分源抽采后,工作面回风流瓦斯体积分数稳定在0.36%~0.46%,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.4%~0.6%,瓦斯抽采率平均值达59.17%。     

青龙煤矿高位定向钻孔瓦斯抽采实践

针对高位钻孔瓦斯抽采存在钻孔数量多、单孔深度不足、钻孔轨迹不可控、瓦斯抽采浓度较低、抽采不连续等问题,为有效防治青龙煤矿21602工作面回采期间上隅角瓦斯浓度超限,利用高位定向钻孔技术对瓦斯进行抽采,介绍了高位定向钻孔设计施工方案,通过现场实践确定了最佳钻孔布置参数。结果表明:高位定向钻孔具有瓦斯抽采浓度高、抽采量大、抽采率高等特点,且高位定向钻孔瓦斯抽采效果随工作面回采距离的增加呈先稳定后下降的趋势;当高位定向钻孔终孔层位距离顶板39m、距离回风巷右帮水平位移为55m时,瓦斯抽采体积分数达30.5%,瓦斯抽采流量达18m3/min,瓦斯抽采纯量达2.374m3/min,瓦斯抽采效果最佳;上隅角瓦斯体积分数由抽采前的最大值0.72%降低至抽采期间的0.2%～0.4%,有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。     

采煤工作面瓦斯抽采技术的应用探讨

瓦斯是世界公认的温室气体之一,是矿井生产中散发的一种有毒气体,会直接影响矿井的安全生产。但从能源角度看,瓦斯是一种清洁度较高的能源。因此,引入瓦斯治理技术是十分必要的。就采煤工作面瓦斯抽采技术的应用进行了分析、讨论,希望对相关单位有所帮助。     

穿层瓦斯抽采钻孔用随钻式掏穴钻头设计

为提高穿层钻孔瓦斯抽采效果,目前常采用掏穴钻进技术增大煤层段局部钻孔直径,避免了岩层孔段的无效进尺,但受掏穴钻头结构限制,一般需要在先导钻孔完成后提钻,然后重新下入掏穴钻头进行掏穴钻进,存在工序多、辅助作业时间长的问题。为解决以上问题,采用齿轮齿条结构形式设计了一种随钻式机械掏穴钻头。该钻头在岩层孔段钻进时翼片收回,进入煤层后,利用水力参数的改变推动带齿条的活塞轴向运动,活塞带动带齿轮的翼片旋转并张开,从而进行掏穴钻进;掏穴钻进完成后,翼片缩回,钻头顺利退出钻孔,进行封孔连抽。现场试验结果表明,该钻头能够在岩层段保持闭合时进行先导孔施工,进入煤层后增大泵量时可顺利张开并进行掏穴钻进,增大了煤层孔段钻孔直径,降低了穿层钻孔辅助作业时间,提高了穿层钻孔掏穴施工效率。     

近距离煤层群综采工作面瓦斯治理优选措施

相对于单一煤层或其他煤层群开采,近距离煤层群在开采过程中邻近层受到开采层应力影响更为剧烈,瓦斯更容易通过发育的裂隙涌入开采层,造成开采层工作面瓦斯积聚。现有的针对近距离煤层群的瓦斯治理研究主要侧重于单一措施参数的确定及效果分析,没有深入研究瓦斯治理措施在时间、空间层面之间的联系,对综合瓦斯治理措施的优选组合、具体参数的确定依据及措施采取后的效果分析不够深入。针对上述问题,以阳煤一矿81403综采工作面为研究对象,通过数值模拟方式分析了近距离煤层群条件下开采应力分布及演化过程,研究了上覆岩层破坏及裂隙发育变化规律,得到了81403综采工作面瓦斯主要来源为煤层解吸瓦斯、上邻近层卸压瓦斯、采空区瓦斯等,针对不同瓦斯涌出源头和特点,优先采取顺层预抽+高抽巷+高位钻孔+采空区埋管的瓦斯抽采措施,即在开采前充分预抽减少煤层解析瓦斯量,通过高位钻孔、高抽巷处理邻近层瓦斯涌入,采用埋管治理上隅角瓦斯局部聚集,在时间和空间上形成综合的治理体系,从而达到瓦斯治理目的。实际应用结果表明,工作面回采期间瓦斯抽采率达到了89.9%,回风巷及上隅角瓦斯体积分数保持在1%以下,保证了工作面的安全回采。