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1、深孔定向千米钻机在大宁煤矿瓦斯治理方面的应用一、矿井简介山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿是由美国亚美大陆煤炭有限公司,山西兰花科创股份有限公司和山西省煤炭运销公司晋城分公司三方合资组建的合作经营股份制企业,是中国第一家中外合作井工矿井.大宁煤矿井田位于沁水煤田东部南段,井田面积38.8225km2,地质储量2.33亿t,可采储量1.81亿t,主采煤层3号煤,平均可采厚度4.45m,煤层倾角小于10°,属近水平煤层;3号煤层服务年限为33年.大宁煤矿所开采的3号煤层属于中等变质程度的无烟煤,是优质的化工及动力用煤.3号煤层煤尘无爆炸性,自燃等级为Ⅲ级,属不易自燃煤层,200
2、5年,2006年经鉴定属高瓦斯矿井.根据2007年度矿井瓦斯等级鉴定资料,矿井绝对瓦斯涌出量为428.04m3/min,相对瓦斯涌出量为55.87m3/t,山西省煤炭工业局批复确定矿井为高瓦斯矿井.根据勘探钻孔及大宁煤矿首采区3号煤层实测资料:百米钻孔自然瓦斯涌出量为0.0973~0.1905m3/min,百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0245~0.0512d-1.煤层瓦斯压力0.69~1.16MPa,煤层1.3~1.95mD.3号煤层的孔隙率7.01%~10.56%;瓦斯吸附常数a值为57.47~61.36,b值为0.291~0.334.经计算,大宁煤矿矿井瓦斯储量
3、达132.14亿m3,可抽瓦斯量55.28亿m3,其中3号煤层瓦斯储量为49.56亿m3,可抽瓦斯量20.22亿m3,具有瓦斯抽放和利用的丰富资源及优越条件.大宁煤矿于2007年4月底顺利通过了4Mt/a扩建项目的总体竣工验收,6月12日领取了安全生产许可证,7月10日领取了煤炭生产许可证.二、瓦斯治理情况简介瓦斯抽放是矿井安全生产的重中之重,公司在建矿期间不断加大投资力度,矿井瓦斯抽放取得了明显效果.时至今天,大宁煤矿已配备了目前世界上最先进的VLD-1000型深孔定向千米钻机3台及其配套的DDM-MECCA钻进实时监测系统,实施本煤层大面积预抽,最大孔深达到1002m
4、.截止2007年12月底,已完成钻孔数1980个,累计进尺803752.8m,累计抽放混合瓦斯量9.05亿m3,纯瓦斯量4.67亿m3,矿井瓦斯抽放率在80%以上,有效解决了生产中的瓦斯管理问题,从而保证了矿井的安全生产.(一)瓦斯抽放方法的选择根据大宁煤矿的瓦斯来源分析,矿井瓦斯主要来源于开采层3号煤层的瓦斯涌出,部分来源于邻近层的瓦斯涌出和围岩的瓦斯涌出,结合大宁矿井首采区的抽采实践经验,抽放瓦斯方法选择以预抽本煤层瓦斯为主.国内外抽放经验证明:由于预抽排放煤体瓦斯,使煤体发生了收缩变形,当煤体原占据的空间体积不变时,煤体收缩一方面引起了原有的裂隙加大,另一方面也可产
5、生新的裂隙,最终使煤层的透气性增大.因此,长时间的预抽可以取得更好的效果.通过对VLD-1000型深孔定向千米钻机水平长钻孔抽放效果的数字模拟及综合监测分析,确定大宁矿井瓦斯预抽钻孔的布置如图1所示.图1采空区高位穿层钻孔:引进国外先进的采空区瓦斯治理经验,结合千米钻机的钻进特点,在工作面的回风巷侧采用定向钻进技术在3号煤层的顶部岩层内向工作面后方打顶板走向长钻孔至采空区上部的裂隙带,实施长壁面的采空区瓦斯抽放.钻孔布置如图2所示.图2从保证采掘工作面的安全需要,结合矿井采掘计划安排,确定长壁综采面的抽放时间为2年;连采机巷道掘进抽放时间1年以上.采掘工作面预抽的孔口负压
6、为20~40kPa,采空区顶板抽放的孔口负压为5kPa.钻孔开,扩孔直径φ150mm,采用φ108mmPVC管封孔,封孔材料为聚铵脂,封孔长度6m;钻杆直径φ69.9mm,采用复合片钻头钻进,终孔直径φ96mm.在抽放过程中对钻孔的抽放负压,甲烷浓度,抽放量等参数进行监测,并根据监测结果对钻孔抽放状态进行调整,以达到最佳抽放状态.(三)抽放管路的敷设井下抽放主管选用螺旋焊接钢管,管径为DN820mm×12mm,沿巷道底板敷设,连接方式为法兰连接;支管管径为D355mm×16mm和D225mm×10mmUPVC管接至钻场,采用吊挂敷设,连接方式为法兰连接.三、抽放钻孔施工工
7、艺目前普通钻机没有导向系统,无法随着煤层的起伏情况做出相应的调整,从而在实际钻进过程中大多数钻孔的有效深度不能满足实际要求,而VLD-1000系列深孔定向千米钻机以其特有的钻进机理从根本上解决了这一个问题。亚美大宁能源公司于2003年4月从澳大利亚引进深孔定向钻进技术施工顺煤层瓦斯抽放钻孔,单孔孔深最大达到1002m,班进尺最高达到了400m,既解决了顺煤层钻进的导向问题,又可以完成深孔钻进,取得了较好的效果。(一)深孔定向钻进机理深孔定向钻进技术在诸如美国,澳大利亚等主要产煤国家里,已作为一项很成熟的钻进技术广泛应用于煤矿瓦
