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外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术-王红胜

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外错高抽巷卸压 瓦斯 钻孔 纠偏 技术 王红胜
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第 43 卷第 8 期煤 炭 科 学 技 术3 2015 年 8 月 2015外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术王红胜1, 杜政贤1, 樊启文2, 双海清1, 解俊祥2, 由临东1( 1. 西安科 技大 学 能源学院 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室 , 陕西 西安 710054;2. 霍州煤电集团有限责任公司 李雅庄煤矿 , 山西 霍州 031408)摘 要 : 为解决李雅庄煤矿2—603工作面卸压瓦斯抽采钻孔钻进轨迹偏离钻孔原设计轨迹的难题,基于原设计钻孔的测斜结果,提出了角度补偿纠偏方法及钻孔纠偏效果评价指标。原设计151、152号钻孔的测斜结果表明:终孔位置偏斜距离分别为4. 203、4. 481 m,采用角度补偿纠偏方法后钻孔终孔位置偏斜距离为 1. 363 m。纠偏后钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高了15. 3%、11. 6%,且持续抽采时间增加了1~6 d。纠偏效果表明:该方法基本解决了钻孔偏斜问题,提高了卸压瓦斯抽采效果。关键词 : 外错高抽巷;卸压瓦斯;钻孔测斜;钻孔纠偏;角度补偿中图分类号 : 献标志码 : A 文章编号 : 0253-2336( 2015) 08-0077-05of in 1. ab Xi'i'10054, 2. 31408, In to of of on of an of he of o.151 52 of .203 m .481 m of .363 m.of 5.3% 1.6% ~6 he ey : 2015-01-11; 责 任编辑 : 王晓珍 10.13199/j.015.08.015基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划 ) 资助项目 ( 2015者简介 : 王红胜(1976—) , 男 , 安徽池州人 , 副教授 , 博士 。18309186988, E- 王红胜 , 杜政贤 , 樊启文 , 等 .外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术 [ J] .煤炭科学技术 , 2015, 43( 8) : 77-81.et of in J] .2015, 43( 8) : 77-81.0 引 言卸压抽采主要是采用钻孔抽采受采动影响煤层涌出的 瓦 斯 , 是有效治理由于采空区或邻近层瓦斯导致工作面瓦斯超限的抽采技术之一 , 在我国高瓦斯矿井中被广泛应用[ 1-5]。为达到卸压抽采效果 ,须在井 下 布置一定数量的钻孔 。据统计 , 高瓦斯矿井万吨煤瓦斯抽采钻孔长度约为 1 500 m[ 6]。然而 , 在钻孔施工过程中 , 受 岩性 变 化 、钻具结构 、钻杆自重 、钻进工艺 、施工技术等因素影响[ 7], 钻孔实 际轨迹与设计轨迹 偏差大 , 导致钻孔终孔位置偏离设计位置大 , 易造成瓦斯抽采盲区 , 势必影响瓦斯抽采772015 年 第 8 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷效果 , 导致 工 作面 , 尤其是其上隅角瓦斯超限 , 给工作面安全高效回采埋下隐患 。因此 , 钻孔钻进过程中 , 极有必要掌握钻孔轨迹 , 并采用钻孔纠偏技术减少钻孔偏移量 , 使钻孔实际轨迹接近设计轨迹 , 确保钻孔终孔位置达到设计要求 , 以保证瓦斯抽采达到预期效果 。笔者针对李雅庄煤矿 2-603工作面地质条件 , 在 2-603外错高抽巷内开展卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术工业性试验分析 。1 地质条 件 概况1) 工作面地质条件概况 。2-603 工作 面 位于1、2 煤层的合并层 , 煤层厚度为 3. 14~3. 70 m, 平均为 3. 58 m; 煤层一般含 1 层夹矸 , 局部区域含 2 层 ,以泥岩 、炭质泥岩为主 , 属复杂结构煤层 。煤层倾角为 5°~16°, 平均 8°, 采用后退式走向长壁一次采全高全部垮落综合机械化采煤方法 。基本顶为细砂岩 , 厚度为 3. 45~6. 00 m; 直接顶为砂质泥岩 , 厚度为 0~2. 87 m; 伪顶为泥岩 , 厚度为 0~0. 30 m; 直接底为粉砂岩 , 厚度为 1. 40~3. 00 m; 基本底为泥岩 ,厚度为 1. 50~2. 70 m。2) 外错高抽巷布置参数 。2-603 工作面虽然采用了本煤层抽采 , 因煤层透气性系数小 , 导致本煤层抽采效果不理想 , 在回采过程中工作面上隅角瓦斯易超限 。为解决工作面上隅角瓦斯超限难题 , 在 2-603 工作面顶板布置外错高抽巷 。前期 , 在高抽巷内布置抽采钻孔抽采 2-603工作面采动覆岩裂隙带内的瓦斯 ; 后期 , 通过高抽巷抽采 2-605工作面采动覆岩裂隙带内的瓦斯 。高抽巷布置如图 1所示 。图 1 高抽巷 布 置1 of 孔测 斜 仪1) 测斜仪 组 成 。矿用回转钻机测斜仪由随钻测量探管 、主机 、上位机软件等组成 。将随钻测量探管安装在无磁钻杆内 , 在钻进过程中 , 随钻测量探管采集钻孔倾斜角 、工具面向角以及地磁方位角等数据 , 存储在磁盘芯片中 ; 与此同时 , 主机接受操作工人的按键操作 , 进行有效测点数据采集 , 并存储 。经过上位机软件对探管和主机数据的分析处理 , 绘制钻孔的空间轨迹曲线 。2) 测斜原理 。钻孔轨迹是空间中一条连续曲线 , 在测量轨迹时 , 钻孔轴心线上任一点的空间坐标均由孔深 、钻孔倾斜角和地磁方位角等 3 个参数唯一确定[ 8]。钻孔倾斜角和地磁方位角的测量是 在 2个 坐标系基础上建立的[ 8], 如图 2 所示 。 位于仪器探管上 , 并受探 管 姿态变化而变化 。纵轴 , 指向探管顶端 ; 此正交 。 标系 , 磁北 , 磁西 , 线 。以上 2 个坐标系均遵守右 手规 则[ 9-11]。探 管 倾 斜 角 ( 图 2 中 ∠D) 是仪器机体坐标系 坐标系 。地 磁方位角 ( 图 2 中∠A) 是探管 面 系 面 顺时针方向由北向 东 为正 。工具面向角 ( 图 2 中∠ R) 是探管以 顺时 针 自旋转 , 从探管轴线 平面 面 角 。图 2 仪器机体坐标系和地理坐标系2 坐标系 次坐标 旋 转后达到的[ 9-11]。旋转过 程中 , 地磁方位角为第 1 次 旋转角 , 探管倾斜角为第 2次旋转角 , 工具面向角为第 3 次旋转角 。经公式推87王 红胜 等 : 外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术 2015 年第 8 期导[ 8]可分别得到探管倾斜角 ∠D、工具面 向 角 ∠R和地磁方位角 ∠A 的计算公式 :∠D=)( 1)∠R=gy/) ( 2)∠A=- 3)式中 g 为重 力 加速度 ; gx、gy、 力加速度 g 在 量 ; hx、hy、 量 。3 钻孔纠偏及其效果评价3. 1 角度补偿纠偏方法的提出角 度补偿纠偏方法是在一定的地质条件 、施工技 术 及工艺 、钻机操作方法等条件限制情况下 , 先采用钻孔测斜仪测出钻孔偏斜角度 , 然后在施工过程中对钻孔设计角度进行相反方向的角度补偿 , 纠偏后钻孔实际轨迹与钻孔设计轨迹的偏斜在可接受范围内的一种钻孔纠偏方法 。角度补偿纠偏原理如图 3 所示 。在钻孔倾角变化不大时 , 假设钻孔偏斜轨迹变化也不大 , 可通过镜像原理实现角度补偿 , 由钻孔测斜可得钻孔偏斜图 3 角度补偿纠偏原理3 Rof 1、偏斜角 度 α。在 地质条件 、施工技术 、钻进工艺 、钻机操作方法等其他因素不变的前提下 , 纠偏后的钻孔依然会向上偏斜距离为 纠偏后 设 计钻孔终孔距初始设计钻孔终孔的距离为 1和 下 :1 ( 4)因 0. 984 8、0. 906 4,当 a<10°时 , 2的偏差 也 较小 , 纠偏精度在理想状态下可以达到 0. 984 8; 当 α<25°时 , 在纠偏精度要求不是特别高的情况下也可满足要求 。简单用 2的偏差来衡量钻孔 的 偏斜 , 使钻孔实际轨迹近可能地接近原设计钻孔轨迹 。鉴于钻孔偏斜轨迹受现场地质条件 、施工技术 、钻孔角度等因素变化而变化 , 因此在采用角度补偿纠偏时 , 要多次进行钻孔测斜与纠偏 , 以确定合适的纠偏角度 。3. 2 钻孔纠偏效果评价把钻孔轨迹简化为直线 , l1、l2、 设计钻孔 、纠偏设计钻孔 、纠偏后实际钻孔 , 如图 4 所示 。f 为 点的水平投影 , Δh 为 , f 与 Δh 的矢量 和 。图 4 钻孔轨迹及投影4 f= 2( )15)Δh=h1-h3=1- n2+ 22)槡22 22)槡2+ 22)槡2( )( 6)k= Δh)槡2( 7)式中 : m; 计钻孔孔深 , m; 实际钻孔孔深 , m; α2为纠偏 设计 钻孔水平投影角 ,( °) ; β1为原设计钻孔倾角 ,( °) ; β2为纠偏设计钻孔倾角 ,( °) ; m 为 纠 偏设 计钻孔水平偏斜距离 , m; n 为纠偏设计钻孔上下偏斜距离 , m; k 为 至 m。当 k 值越小 时 , 说明纠偏后钻孔实际 轨迹距钻孔设计轨迹越近 , 钻孔纠偏效果越好 。因此 , k 可作为钻孔纠偏效果评价指标 。4 原设计钻孔测斜结果及分析1) 设计钻 孔 参数 。在 2-603 高抽巷内选择原设计的 151、152 号抽采钻孔进行测斜 , 钻孔水平角972015 年 第 8 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷为 90°, 倾角为+22°,钻 孔深度为 53 m, 钻孔布置方式如图 1 所示 。2) 钻孔测斜结果及分析 。采用 2 矿用回转钻机测斜仪对 151、152 号钻孔进行测斜 , 如图5 所示 。由图 5 可知 , 151、152 号钻孔终孔位置比设计位置分别上偏了 2. 236、2. 133 m, 左偏量分别为3. 656、4. 021 m, 经计算 151、152 号钻孔终孔位置偏移距离分别为 4. 203、4. 481 m。图 5 钻孔轨 迹5 所示 , 可以得出以下结论 :水 平 方向上 , 151、152 号钻孔都发生了左偏 , 左偏角分别为 5°、6°; 垂直方向上 , 151、152 号钻孔分别上偏了 5°、4°。以上分析表明了钻孔实际轨迹偏离钻孔设计轨迹较大 , 势必影响钻孔抽采效果 。图 6 151、152 号钻孔实际轨迹 o. 151 o. 152 孔纠偏效果及分析5. 1 钻孔纠偏方案确定5. 1. 1 倾向纠 偏 方案方案一 : 根据 151、152 号钻孔测斜结果 , 倾向纠偏角度暂时定为 2°, 即在设计角度的基础上减少 2°, 如钻孔设计倾角为+22°,打钻时倾角设为+20°。方案二 : 根据 151、152 号钻孔测斜结果 , 倾向纠偏角度暂时定为 4°, 即在设计角度的基础上减少4°, 如钻孔设计倾角为 +22°, 打钻时倾角设为 +18°。5. 1. 2 走向纠偏方案方案一 : 根据 151、152 号钻孔测斜结果 , 纠偏角度暂时定为右偏 3°, 打钻时 , 钻机向钻孔偏离方向的反方向偏离 3°。方案二 : 根据 151、152 号钻孔测斜结果 , 纠偏角度暂时定为右偏 5°, 打钻时 , 钻机向钻孔偏离方向的反方向偏离 5°。为了节省资金 、时间及钻孔施工工程量 , 采取 2 个方案进行钻孔纠偏 , 具体纠偏钻孔参数见表 1。表 1 钻孔纠偏 方案 水平角 /( °) 倾角 /( °) 钻孔深度 /7 +20 53方案二 85 +18 535. 2 钻孔纠偏效果及分析1) 纠 偏后 钻 孔测斜 。根据表 2 纠偏方案进行钻孔施工 , 在钻孔施工过程中对其进行测斜分析 , 测斜结果见表 2。表 2 纠偏后钻孔测斜结果 左 右偏差 /m 上下偏差 / 偏 1. 665 上偏 1. 080方案二 左 偏 2. 545 上偏 2. 0812) 钻孔纠 偏 效果 。由公式 ( 5) 、( 6) 、( 7) 可得方案一 、方案二的钻孔纠偏效果见表 3。由表 3 可知 , 方案一的钻孔纠偏效果较方案二好 。表 3 纠偏效 果 of f/m Δh/m k/. 163 0. 712 1. 363方案二 2. 262 1. 496 2. 7123) 钻孔抽采效果分析 。纠偏前后钻孔抽采效果见表 4。由 表 4 可知 , 纠偏后的钻孔抽采效果较纠偏前有明显提高 。方案一纠偏后的钻孔瓦斯浓度的最大值和平均值较纠偏前分别提高了 15. 3%、11. 6%, 且持续抽采时间增加了 1~6 d。钻孔纠偏方案一的钻孔瓦斯抽采效果较方案二的好 , 高抽巷内后续实施钻孔参照方案一进行纠偏 。综合以上分析可知 , 钻孔纠偏后 , 钻孔实际轨迹基本达到钻孔设计要求 , 能有效提高钻孔瓦斯抽采浓度 , 且实现了钻孔持续抽采 。08王 红胜 等 : 外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术 2015 年第 8 期表 4 纠偏前后钻孔瓦斯抽采效果对比 of 积分数最大值 /%瓦斯体积分数平均值 /%不同瓦斯体积分数抽采时间 /70% 50%~60% 40%~50% 30%~40% 20%~30% 10%~20%纠偏前 46. 4 24. 2 0 1 2 6 5 10方案一 61. 7 35. 8 1 2 4 12 7 4方案二 52. 6 29. 3 0 1 2 10 9 86 结 论1) 测斜仪工作原理的实质是在钻孔施 工过程中 , 实时采集钻孔孔深 、钻孔倾斜角 、工具面向角和地磁方位角等数据 , 绘制钻孔的空间轨迹曲线 。2) 提出了角度补偿纠偏方法 。即先采用钻孔测斜仪测出钻孔偏斜角度 , 然后在钻孔施工过程中对钻孔设计角度进行相反方向的角度补偿 ; 当纠偏角度较小时 , 纠偏后钻孔轨迹与钻孔设计轨迹的偏斜在可接受范围内 , 纠偏精度能满足要求 。3) 提出了钻孔纠偏效果评价指标 k 及其计算方法 。当 k 值越小时 , 说明了钻孔实际轨迹距钻孔设计轨迹越近 , 表明了钻孔纠偏效果越好 。4) 高抽巷内 151、152 号钻孔终孔位置比原设计位置 分 别 上 偏 了 2. 236、2. 133 m, 分 别 左 偏 了3. 656、4. 021 m; 钻孔终孔位置偏移距离分别为4. 203、4. 481 m。水平方向上 151、152 号钻孔左偏角分别为 5°、6°, 垂直方向上 151、152 号钻孔分别上偏了 5°、4°。测斜结果表明了钻孔实际轨迹偏离钻孔设计轨迹较大 , 影响钻孔抽采效果 。5) 纠偏后的钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高了 15. 3%、11. 6%, 且持续抽采时间增加了 1~6 d。纠偏效果表明 , 纠偏后钻孔实际轨迹基本达到了设计要求 , 解决了施工钻孔偏斜问题 , 保障了终孔位置达到设计要求 , 有效提高了钻孔瓦斯抽采浓度 , 且实现了钻孔的持续抽采 , 保障了 2-603工作面的安全高效回采 。参考文献 :[ 1] 方良才 .淮南 矿区瓦 斯卸压抽采理论与应用技术 [ J] .煤炭科学技术 , 2010, 38( 8) : 56-62.as J] . 2010, 38( 8) : 56-62.[ 2] 刘 林 .下保护层合理保护范围及在卸压瓦斯抽采中的应用[ D] .徐 州 : 中国矿业大学 , 2010.of in D] .2010.[ 3] 袁 亮 .卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系 [ J] .煤炭学报 , 2009, 34( 1) : 1-8.of of J] .2009, 34( 1) : 1-8.[ 4] 马占国 , 赵国 贞 , 龚 鹏 , 等 .采动岩体瓦斯渗流规律 [ J] .辽宁工程技术大学学报 : 自然科学版 , 2011, 30( 4) : 497-500.et J] . 2011, 30( 4) : 497-500.[ 5] 马 国强 , 陈如 忠 , 崔 刚 , 等 .近距离突出煤层群上保护层瓦斯综合治理技术 [ J] .煤炭科学技术 , 2015, 43( 3) : 52-55.et as of in J] .2015, 43( 3) : 52-55.[ 6] 石 智军 , 姚宁 平 , 叶根飞 .煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术与装备 [ J] .煤炭科学技术 , 2009, 37( 7) : 1-4.in J] .2009, 37( 7) : 1-4.[ 7] 苏 现波 , 刘 晓 , 马 保安 , 等 .瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备 [ J] .煤炭科学技术 , 2014, 42( 6) : 58-60.et Rof J] .2014, 42( 6) : 58-60.[ 8] 杨 华忠 .井下仰角钻孔测井方法技术 试验研究 [ D] .淮南 : 安徽理工大学 , 2013.on of D] .2013.[ 9] 杨伟为 .基于 陀螺连续测斜仪设计 [ D] .西安 : 西安科技大学 , 2011.of D] .Xi’Xi’2011.[ 10] 李番军 .连续测斜仪研究 [ D] .哈尔滨 : 哈尔滨工业大学 .2006.he of D] .006.[ 11] 詹文彬 .智能钻孔测斜仪设计 [ D] .成都 : 西南交通大学 , 2009.he D] .2009.18
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