夹河煤矿大采深顺层钻孔深孔打钻技术研究与应用.doc
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夹河煤矿大采深顺层钻孔深孔打钻技术研究与应用.doc
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前言 2
1、概况 3
1.1矿井概况 3
1.2矿井地质概况 5
2、施工顺层长钻孔基本问题及主要参数的研究 13
2.1大采深顺层钻孔施工期间的常见问题 14
2.2顺层钻孔的设计 16
3、钻进工艺与工序的研究 21
3.1钻机设备的选择 21
3.2稳固钻机的要求 22
3.3排渣工艺的选择 24
3.4钻进过程中风力排渣参数的确定 26
3.5其他决定因素 32
4、大采深顺层深孔打钻技术的应用 36
4.1CMS1系列钻车使用情况 37
4.2合理利用风力排渣参数的打钻效果 41
4.3钻孔施工中常见问题的处理方法 44
4.4钻孔施工的效果 46
5、综合效益分析 49
5.1安全效益分析 49
5.2经济效益分析 49
6、结论 50
夹河煤矿大采深顺层钻孔深孔打钻技术研究与应用
前言
我国煤矿瓦斯灾害严重,尤其是煤与瓦斯突出,严重威胁矿井安全生产,制约矿井经济效益的提高。
为有效防治煤与瓦斯突出,国内外科研工作者研究与实践,先后采取了松动爆破、超前排放钻孔、深孔控制卸压爆破、水力化等多项防突措施,有效地降低了突出强度和突出次数,取得了明显的防突效果。
但随着矿井开采深度的加大,煤与瓦斯突出危险性以及各项防突措施的局限性日益显著,防突工作也愈加困难,顺层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施施工成本低,速度块,可在较短时间内施工出更多钻孔,采用更为密集的钻孔对煤层进行有效和可靠的预抽,能够成功的消除煤与瓦斯突出危险性,但突出煤层施工钻孔期间存在成孔难、深度浅的现状对防突措施的效果造成很大的影响。
如何施工出符合要求的高质量钻孔是我们当前需要解决的第一难题,本课题主要针对徐州矿务集团有限公司夹河煤矿深水平开采期间顺层长钻孔施工进行研究分析,提出能够满足施工高质量长钻孔的方法。
1、概况
1.1矿井概况
夹河煤矿原名桃园煤矿,始建于1965年,由华东煤矿设计研究院设计,设计生产能力为0.45Mt/a。
1969年10月投产,1970年达产,同年更名为夹河煤矿。
1972年7月建成投产一座矿属洗煤厂,设计能力为年入洗原煤0.60Mt/a。
投产以来,先后对矿井生产系统进行了不同程度的技术改造,使生产能力大幅度提高。
1980年原煤生产达到1.30Mt/a。
1984年11月开始进行改扩建井,1994年9月完成,设计生产能力提高到1.20Mt/a。
1999年和2000年分别对主井和通风系统进行技术改造,提高了主井提升能力和矿井通风能力。
2003年经江苏省经贸委审定,核定矿井综合生产能力为1.50Mt/a,2010年经鉴定为突出矿井及冲击地压危险性矿井,目前矿井开采水平延伸至-1200m水平。
1.1.1矿井位置与交通
夹河煤矿位于江苏省徐州市九里区境内,距徐州市约11Km。
夹河井田东部与庞庄矿相临;西部以西陇海铁路与徐州地方煤炭公司大刘矿和徐州矿务集团公司义安矿为界;浅部自21煤层露头,深部至1煤层-1200等高线。
井田走向长5.5Km,倾向长4.5Km,面积约24.75Km2。
井田内铁路、公路水路均有,可通往全国各地,交通十分便利。
西陇海铁路干线从井田西南通过,矿铁路专用线在夹河寨与西陇海干线接轨;矿专用公路与徐州市三环路、徐沛公路干线河西部矿区公路
连接成网;井田东测15Km左右有京杭大运河,常年可通航50t驳船。
图1-1矿井交通示意图
1.1.2井田境界
夹河井田东部F1号断层下盘以“徐煤局地(85)55号文”、上盘以“苏煤基司(87)252号”文件为界与庞庄煤矿相邻;西部以西陇海铁路与江苏天能集团公司大刘煤矿和徐州矿务集团公司义安煤矿为界;浅部自21煤层露头;深部至1煤层-1200m等高线。
井田走向长5.5km,倾向长约4.5km,面积约24.75km2。
1.1.3采区概况
夹河煤矿深部-1200m水平西一区域位于夹河井田的东北角。
浅部自-950m,深部至1煤-1200m等高线,东至京福绕城高速公路保护煤柱线,西至张小楼井田边界,走向长1.05km,倾斜长0.65km,面积约0.7km2。
目前邻区浅部正在开采,深部已开拓-1010~-1200回风暗斜井、皮带暗斜井和轨道暗斜井三条下山。
该区共施工过11个钻孔进行钻探,累计工程量13349.25m,均由原局地勘队施工。
2005年10月由煤炭科学研究总院西安分院完成了三维地震勘探工作。
1.2矿井地质概况
1)地质构造
夹河井田位于徐州煤田九里山向斜南翼,石炭、二叠系地层是其含煤地层,在井田内均被第四系冲积层覆盖。
井田内钻孔和井巷工程揭露的含煤地层主要有石炭系的本溪组(C2)、太原组(C3),二叠系的山西组(P11)、下石盒子组(P12)、上石盒子组(P21)、石千峰组(P22)地层。
夹河井田位于徐州复背斜九里山向斜南翼中段,为一单斜构造,沿东北、西南方向延展。
地层产状沿走向、倾向变化较大,F1号断层下盘煤层由浅至深在剖面上大致呈台阶状。
井田内大中型断层较发育,共发育大中型断层21条,其中落差≥100m的断层4条,正断层1条(夹6),逆断层3条(F1、F2、SF33);落差50-100m的断层共5条,正断层4条(夹1、夹2、夹5、F5),逆断层1条(F1-1);断层落差20-50m的断层7条,正断层6条(F6、F3、夹9、SF10、SF11、SF22),逆断层1条(夹3);落差10-20m且走向长度≥800m的断层5条(夹8、夹2-1、F16、F4、夹7)全部为正断层。
-1200m水平西一采取进行了三维地震勘探,中、小型断层及次一级褶皱得到有效控制,构造简述如下。
①褶曲:
该区总体为一走向和倾向略有变化的单斜构造,地层走向北东~北北东、倾向北西~北西西,倾角5~25°,平均20°,局部倾角有较大变化。
位于18-14钻孔、19-10钻孔之间发现向斜,轴向NE,倾角15~20°,向斜轴被DF22断层切割。
位于20-10钻孔、20-11钻孔之间发现背斜,轴向NW,倾角5~10°。
②断层:
依据三维地震勘探资料,该区中、小型断层较发育,共11条。
2)水文地质
夹河煤矿井下潜水接受大气降水和地表水直接补给,因煤层地层上有较厚的第四系冲积层覆盖,第四系中部有一层较厚的隔水层,一般和下伏的承压含水层不发生直接水力联系。
从该矿开采突水情况看,在浅部突水次数多,突水量大,深部减弱。
在矿区外围东南-西南部奥灰出露于地表,可以接受大气降水及地表水的直接补给。
由于本溪组岩层的阻水作用,奥灰水正常情况下对开采二叠系煤层无直接影响。
矿井水文地质条件类型属简单-中等型。
3)地温
根据中国科学院地质研究所地温资料,徐州地区恒温带深度为25-30m,温度为16.6℃。
夹河井田内地温梯度由1.16℃/100m变化至2.52℃/100m,平均地温梯度为2.21℃/100m,属于地温正常区。
本井田虽属于地温正常区,但据2煤底板地温等值线图和地温剖面图,在-600m水平以下,18-19线南段-650~-920m、24-25线南段-700~-850m为一级热害区(温度为31-37℃),其余为二级热害区(温度>37℃)。
4)瓦斯
夹河煤矿深部勘探对2、7、9煤进行23次煤芯瓦斯含量解吸测定,其中2煤9个,7煤9个,9煤5个,20煤1个。
测定结果:
2煤甲烷一般含量0.575~4.661cm3/gdaf,平均2.73cm3/gdaf;7煤甲烷一般含量0.487~8.374cm3/gdaf,平均4.49cm3/gdaf;9煤甲烷一般含量0.690~10.119cm3/gdaf,平均为4.528cm3/gdaf。
从各主采煤层瓦斯含量成果表中及2、7、9煤层瓦斯等值线图上可以看出,夹河矿区深部煤层瓦斯赋存特征为:
①7、9煤层瓦斯含量较高,绝对瓦斯与相对瓦斯量按1:
1.3计算,7煤有两个样,9煤一个样换算出相对瓦斯量大于10m3/Td;
②各主采煤层瓦斯自然成分复杂,除甲烷外,可燃气体还包括C2H6~nC4H10,2煤还含有少量C5H12。
CO2含量一般占总气体量的7.04%~12.06%不等。
③煤层顶底板岩性对瓦斯气体的保存有一定的影响,例如21-6孔9煤甲烷含量高达10.119cm3/g,7煤甲烷含量为7.352cm3/g,其顶底板岩性均为泥岩。
5)煤与瓦斯突出情况
2010年夹河煤矿对-1200m水平西一采区进行了煤与瓦斯突出危险性鉴定,夹河煤矿2#煤层在西一采取-1020m标高以上无煤与瓦斯突出危险性,为非突出煤层;7#煤层在-1086m标高以下、9#煤层在-1010m标高以下具有煤与瓦斯突出危险性,为突出煤层,夹河煤矿为煤与瓦斯突出矿井,测定各项指标见下表:
表1-1-1200m水平西一采区2#、7#、9#煤层瓦斯参数测定汇总表
参数
煤层
2#
7#
9#
瓦斯参数
瓦斯压力P(MPa)
0.6
2.2
3.4
瓦斯含量C(m3/t)
7.80
14.04
13.18
煤的工业分析结果
吸附常数
A(m3/t)
27.506
29.684
26.32
B(MPa-1)
0.552
0.569
0.62
水分(%)
1.84
2.14
2.06
灰分(%)
14.12
8.96
7.42
挥发份(%)
28.22
30.64
32.22
真密度(m3/t)
1.66~1.68
1.4~1.42
1.32~1.38
视密度
1.59~1.60
1.35~1.37
1.28~1.33
孔隙率(%)
4.40~5.00
3.65~3.70
3.13~3.76
单项指标
破坏类型
Ⅱ~Ⅲ
Ⅲ
Ⅲ
△p
9.20
11.52
15.42
f
0.25
0.38
0.41
P(MPa)
0.6
2.2
3.4
6)冲击地压情况
根据送检煤样测定的数据,判定夹河煤矿2煤及其顶板具有弱冲击倾向性、7煤及其顶板具有弱冲击倾向性、9煤具有弱冲击倾向性。
煤层各项指标见下表:
表1-2冲击倾向性指标
指标
弹性能指数(Wet)
冲击能指数(KE)
动态破坏时间(DT/ms)
冲击类别
2#煤层
2.43
1.59
26
弱冲击
7#煤层
2.30
2.73
223
弱冲击
9#煤层
2.76
1.61
241
弱冲击
表1-3煤层的物理性质
煤层编号
指标
视密度
/kg·m-3
真密度
/kg·m-3
含水率
/%
自然吸水率
/%
2#煤层
平均值
1259
1348
1.67
3.02
7#煤层
平均值
1275
1372
1.74
2.67
9#煤层
平均值
1302
1423
1.57
2.48
表1-4煤层力学性质
项目
煤层编号
单向抗压强度/MPa
单向抗拉强度/MPa
弹性模量
/×GPa
泊松比
凝聚力
/MPa
内摩擦角
/°
2#煤层
平均值
12.31
1.21
4.33
0.35
2.26
34.5
7#煤层
15.47
0.97
4.42
0.18
4.26
29.93
9#煤层
17.89
1.1
6.83
0.26
4.39
29.86
7)煤层赋存与煤质特征
夹河井田内,可采和局部可采煤层共7层。
总体上讲1、2、7、9煤,其煤厚沿走向在23线附近向东西两侧发生分异,西部煤层较薄,东部煤层较厚。
各煤层倾向上亦具由浅部向深部逐渐增厚趋势。
矿井煤系地质综合柱状如图1-2所示,其煤层赋存情况、可采煤层特征见表1-1。
表1-5煤层赋存情况表
含煤地层
时代
石炭二迭纪
原始地质储量
5544.1万吨
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