松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效抽采瓦斯技術(shù)研究

松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效抽采瓦斯技術(shù)研究

0鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究近年來，淮南礦區(qū)逐漸進(jìn)入深部開采，地應(yīng)力和磚瓦壓力逐漸增加，礦區(qū)的地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜。礦區(qū)深部各主采煤層均處于中等偏軟或軟弱破碎狀態(tài),普氏系數(shù)僅為0.2~0.8,穩(wěn)定性較差。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是區(qū)域消除突出危險性,實現(xiàn)瓦斯高效抽采的有效手段,但是由于松軟煤層裸眼孔壁的穩(wěn)定性差,成孔提鉆后短時間內(nèi)孔壁就會失穩(wěn)坍塌,造成鉆孔局部或整體堵塞,使鉆孔失效。傳統(tǒng)的提鉆后下篩管技術(shù),受篩管下入過程中的擾動,本身就極不穩(wěn)定的鉆孔壁更容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌,使得篩管很難安設(shè)到鉆孔預(yù)定深度,造成大量鉆進(jìn)工程的浪費,影響鉆孔瓦斯抽采效果,進(jìn)而對礦井的安全高效開采產(chǎn)生不利影響。姚向榮等對深部圍巖遇弱結(jié)構(gòu)瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)進(jìn)行了分析,并對注漿固壁成孔方法進(jìn)行了研究。張海慶提出了本煤層雙套管高效瓦斯抽采技術(shù),并對雙套管抽采的作用原理、雙套管的合理長度等進(jìn)行了研究。孫新勝等對松軟煤層篩管護(hù)孔瓦斯抽采技術(shù)、裝備及施工工藝進(jìn)行了研究。牛多龍在現(xiàn)場開展了松軟煤層順層鉆孔全程瓦斯預(yù)抽的技術(shù)實踐。吳松貴等大口徑瓦斯抽排鉆孔套管穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。王同濤等根據(jù)煤層氣井完井篩管受力特定建立了篩管受力的塑性鉸模型,計算獲得礦用篩管的抗擠強度及其影響因素。上述作者從不同的角度對松軟煤層順層鉆孔抽采瓦斯工程進(jìn)行了研究,取得了諸多有益的成果。針對松軟煤層鉆孔易失穩(wěn)坍塌,而傳統(tǒng)提鉆后安設(shè)篩管效果較差,導(dǎo)致瓦斯抽采困難的現(xiàn)狀,在前人研究的基礎(chǔ)上,筆者提出了松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù),在淮南礦區(qū)典型礦井進(jìn)行現(xiàn)場試驗表明,該技術(shù)能夠有效縮短安設(shè)篩管所需的時間,增大安設(shè)篩管深度,配合使用“兩堵一注”帶壓注漿技術(shù),有效提高了鉆孔抽采濃度和流量,避免因鉆孔坍塌導(dǎo)致的鉆孔失效,大幅提高了鉆孔預(yù)抽瓦斯的可靠性,保證了工作面瓦斯預(yù)抽的效果。1鉆孔周圍煤體二次應(yīng)力分布特點其作用特點隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模擴大和開采深度不斷增加,礦井地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,煤體所承受的地應(yīng)力也逐漸增大。特別對于深部煤層群開采條件下的首采層而言,當(dāng)抽采鉆孔穿過松軟煤層、破碎煤層、斷層破碎帶等地質(zhì)異常帶時,由于孔壁穩(wěn)定性差,易失穩(wěn)坍塌造成瓦斯抽采通道堵塞,影響鉆孔抽采瓦斯的效果。抽采鉆孔進(jìn)入煤層后,改變了鉆孔周圍煤體自身的應(yīng)力狀態(tài),經(jīng)重新分布的應(yīng)力出現(xiàn)超出巖體屈服強度,使鉆孔壁周圍煤體進(jìn)入塑性狀態(tài),隨著距鉆孔中心距離r的增大,二次應(yīng)力逐漸向彈性狀態(tài)過渡,并出現(xiàn)彈、塑性狀態(tài)并存的二次應(yīng)力分布狀態(tài)。鉆孔周圍煤體出現(xiàn)塑性區(qū)后,塑性區(qū)內(nèi)的煤體既應(yīng)滿足連續(xù)條件和平衡微分方程,也應(yīng)滿足塑性條件,則切向應(yīng)力σr及徑向應(yīng)力σθ分別為其中:q和ε分別為,ε=(1+sinφ)/(1-sinφ);c為煤體黏聚力,MPa;φ為煤體內(nèi)摩擦角,(°);r為鉆孔周圍煤體距鉆孔中心的距離,m;ra為鉆孔半徑,m;Pi為鉆孔內(nèi)壓力,MPa。根據(jù)鉆孔周圍煤體二次應(yīng)力分布的特點,r將存在一個臨界值,使得在該處煤體既滿足塑性應(yīng)力條件,又滿足彈性應(yīng)力條件,通常將該臨界值稱為塑性區(qū)半徑Rp。其中,P0為原巖應(yīng)力,MPa。從上述公式可得出,影響鉆孔穩(wěn)定性的因素很多,如煤體初始應(yīng)力狀態(tài)、煤體力學(xué)強度、鉆孔孔徑均能導(dǎo)致鉆孔破壞失穩(wěn)。鉆孔失穩(wěn)坍塌是由于鉆孔的形成使其周圍煤體卸載,隨著時間的推移,鉆孔周圍煤體在重新分布的應(yīng)力以及高瓦斯壓力梯度作用下產(chǎn)生破壞,煤體原生裂隙產(chǎn)生滑移、錯動和剪切變形,從而形成大量新生裂隙。此外,由于煤體中存在大量相互垂直交錯的端割理和面割理,新生裂隙既可沿著面割理發(fā)展,又可沿著端割理方向發(fā)展,最終導(dǎo)致鉆孔周圍煤體呈破碎結(jié)構(gòu)。破碎狀態(tài)的煤體黏聚力急劇下降,當(dāng)黏聚力小于臨界值時,鉆孔就會發(fā)生失穩(wěn)坍塌。鉆孔坍塌后堵塞瓦斯抽采通道,致使鉆孔局部甚至整體失效。2篩管安設(shè)到位技術(shù)松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)的核心是使用內(nèi)芯可脫式鉆頭施工完鉆孔后,不提鉆直接從鉆桿內(nèi)通孔下入快速全孔篩管(管體上按一定方式和密度布孔),當(dāng)快速全孔篩管輸送到鉆頭部位時,施加軸向沖擊力,使鉆頭內(nèi)芯打開,快速全孔篩管即可穿過鉆頭,在孔底懸掛裝置的作用下懸掛在鉆孔內(nèi),然后提出整個鉆柱,快速全孔篩管將作為長期的瓦斯抽采通道留在鉆孔內(nèi),篩管護(hù)孔安設(shè)效果如圖1所示。松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù),因為減少了提鉆的步驟,所以大幅減少了安設(shè)篩管所需時間;同時因通過鉆桿內(nèi)通孔安設(shè)篩管,大幅增大了安設(shè)深度。篩管安設(shè)到位后,可以作為長期的瓦斯抽采通道,既解決了鉆孔坍塌失效的問題,又不影響瓦斯抽采,有效保證了鉆孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。此外,該技術(shù)可以利用原有鉆進(jìn)裝備,不改變鉆進(jìn)施工的操作程序,便于工人操作,利于推廣使用。1)鉆頭:為了滿足從鉆桿內(nèi)安設(shè)篩管的目的,使用一字鉸接型內(nèi)芯可開閉前置式鉆頭。該鉆頭底部裝有可開啟式活動翼片,不僅能滿足鉆進(jìn)的要求,在鉆進(jìn)到位后,內(nèi)芯與鉆頭體在施加一定軸向沖擊力后能很方便地打開?？砷_啟式活動翼片可以重復(fù)使用,開啟后不會遺留在孔內(nèi),避免給后期采煤帶來安全隱患,同時還能減少鉆頭的消耗。2)快速全孔篩管:為滿足煤礦井下使用的特殊需求,選用阻燃效果較好的PVC篩管(聚氯乙烯管)作為護(hù)孔管材?？焖偃缀Y管壁厚2.9mm,單根長1.5m,質(zhì)量0.63kg,便于井下運輸。篩管孔眼直徑8mm,間距20cm,展開后呈梅花型,單根篩管要求孔眼在20個以上。篩管采用插接式或絲扣式連接方式,便用井下施工。3)孔底懸掛裝置:快速全孔篩管下到孔底后,若沒有固定裝置,在起鉆的過程中,快速全孔篩管易被鉆桿帶出。因此,為使快速全孔篩管安設(shè)到位后能自行懸掛在孔底,需使用孔底懸掛裝置?？椎讘覓煅b置的工作原理為:將單個或多個孔底懸掛裝置安設(shè)在快速全孔篩管最前端,當(dāng)其頂開鉆頭活動翼片進(jìn)入鉆孔后,安設(shè)在懸掛裝置上的壓縮可活動翼片在強力彈簧作用下張開并楔入煤壁,為快速全孔篩管柱提供反向支撐力,進(jìn)而使整個管柱能夠固定在鉆孔內(nèi)。3工程實踐與成果分析3.1潘一東礦工作面為了對比分析傳統(tǒng)提鉆后下篩管工藝與快速全程下篩管工藝(分別簡稱傳統(tǒng)工藝和新工藝)在下管時間、下管深度以及抽采效果方面的優(yōu)劣,分別在丁集礦1331(1)工作面和潘一東礦1231(1)工作面開展了現(xiàn)場試驗。1331(1)工作面標(biāo)高為-750—-840m,設(shè)計可采走向長約1420m,傾斜長210m,煤層平均傾角3°,平均煤厚1.8m,瓦斯含量5.6m3/t,瓦斯壓力1.2MPa,煤的普氏系數(shù)0.6。工作面采用順層鉆孔預(yù)抽瓦斯消除突出危險性的區(qū)域措施,沿工作面的軌道巷和運輸巷間隔10m布置孔深為110m的順層鉆孔。1231(1)工作面設(shè)計可采走向長約1400m,傾斜長240m,煤層平均傾角3°,平均煤厚2.6m。3.2使用快速全程下篩管工藝在丁集礦1331(1)工作面運輸巷相鄰區(qū)域各選取40個鉆孔,分別采用傳統(tǒng)工藝和新工藝安設(shè)護(hù)孔篩管,并對下管時間和下管深度進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表1。通過對比可以發(fā)現(xiàn),使用傳統(tǒng)工藝,57.5%的鉆孔下管時間在2h以上,僅有10%的鉆孔下管時間在1h以內(nèi),同時僅有7.5%的鉆孔篩管可安設(shè)至90m以上;使用快速全程下篩管工藝,75%的鉆孔下管時間在1h以內(nèi),所有鉆孔均在2h內(nèi)完成下管,同時85%的鉆孔篩管可安設(shè)至90m以上。顯然,快速全程下篩管工藝在下管時間和下管深度上均優(yōu)于傳統(tǒng)下管工藝。使用快速全程下篩管工藝可顯著減少鉆進(jìn)工程的浪費,同時降低了工人的勞動強度,提高了施工效率。3.3試驗鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純流量隨時間的變化在潘一東礦1231(1)運輸巷選取30號及115號鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采濃度和抽采純流量的考察。2個鉆孔均使用“兩堵一注”帶壓注漿的方式進(jìn)行封孔,封孔深度為20m。30號鉆孔使用新工藝安設(shè)套管,套管管徑為3.81cm;115號鉆孔使用新工藝安設(shè)套管,套管管徑為2.54cm。2個鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純流量隨時間的變化如圖2所示。受2種工藝安設(shè)套管長度和套管管徑的影響,使用新工藝的考察鉆孔抽采濃度和抽采純流量一直保持在較高的水平,經(jīng)過18d的抽采后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)仍高于60%,抽采純流量仍高于0.06m3/min,且二者衰減速度較緩慢;使用傳統(tǒng)方式的考察鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純流量均衰減較快,經(jīng)過18d的抽采后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)降至30%左右,抽采純流量降至0.03m3/min左右。從單孔抽采效果來看,新工藝遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。3.4單元現(xiàn)場抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和抽采純流量的現(xiàn)場評價在丁集礦1331(1)工作面運輸巷相鄰區(qū)域各選取30個鉆孔,按下篩管工藝分別歸納為評價單元1和評價單元2。評價單元1采用傳統(tǒng)工藝,其中12個鉆孔下管深度超過70m,18個鉆孔下管深度小于70m。評價單元2采用新工藝,其中26個鉆孔實現(xiàn)全程下管,4個鉆孔下管深度小于100m。2個評價單元均采用“兩堵兩注”方法封孔。2個評價單元的抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和抽采純流量隨時間的變化如圖3所示。在25d的抽采過程中,評價單元1管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均約為15%,抽采純流量平均約為2.0m3/min;評價單元2管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均約為33%,抽采純流量平均約為4.2m3/min。使用快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)以后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)較傳統(tǒng)工藝約提高120%,抽采純流量提高約2.2m3/min。4鉆孔瓦斯抽采技術(shù)丁集礦1331(1)工作面和潘一東礦1231(1)工作面現(xiàn)場試驗表明,松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)具有良好的可靠性和有效性。通過使用該技術(shù),各技術(shù)指標(biāo)得到了顯著提升:減少了安設(shè)篩管所需時間,增大了篩管安設(shè)深度;所有施工鉆孔均在2h內(nèi)完成篩管安設(shè),其中75%的鉆孔安設(shè)篩管時間在1h以內(nèi),85%的鉆孔篩管可安設(shè)至90m(孔深的81%)以上;就抽采效果而言,單孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)由30%左右提升至60%左右,抽采純流量由0.03m3/min左右提升至0.06m3/min左右,2個指標(biāo)增幅均為100%;評價單元瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)較傳統(tǒng)工藝提高約120%,瓦斯抽采純流量提高約2.2m3/min。松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)避免了因鉆孔坍塌導(dǎo)致的鉆孔失效,大幅提高了鉆孔預(yù)抽瓦斯的可靠性,保證了工作面瓦斯預(yù)抽的效果。該技術(shù)可以為具有類似松軟煤層的礦區(qū)、礦井開展相關(guān)鉆孔瓦斯抽采工作提供借鑒。引用格式:劉清泉,童碧,方有向,等.松軟煤層快速全孔篩管護(hù)孔高效瓦斯抽采技術(shù)[J