松軟薄煤層定向順層快速消突技術(shù)

李磊

摘 要：治理煤巷條帶瓦斯，傳統(tǒng)方式為機風巷施工底板穿層鉆孔，該方式鉆機搬運頻繁、效率低，鉆孔軌跡難以控制，抽采效果不佳。定向順層鉆孔不僅深度大，且鉆孔軌跡精準可控，抽采效果好，可有效保障工作面掘進期間瓦斯安全高效治理。

關(guān)鍵詞：薄煤層;定向順層;消突

1.工程概況

施工地點工作面標高-567.2～-665.2m，處于突出危險區(qū)，煤層厚度為1.05～2.3m，平均1.8m，煤層傾角13～34°，平均21°，煤層頂板為砂巖，底板為泥巖。煤層瓦斯放散初速度為6mmHg;煤層堅固性系數(shù)f值為0.3;煤層瓦斯壓力最大值為0.69MPa，瓦斯含量最大值為6.63m3/t。

巷道走向長度196m，采用定向順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯。設(shè)計7個鉆孔，中間孔（0#孔）平面沿巷道中線，兩側(cè)各布置3個鉆孔，孔間距6m，控制巷道兩幫輪廓線外15m。

1.1施工工藝

（一）定向鉆進軌跡控制

空氣螺桿馬達定向鉆進施工工藝主要借鑒煤礦井下液動馬達定向施工工藝方法和風壓空氣鉆進技術(shù)，并根據(jù)軟煤鉆進特點進行研究。

（二）空氣螺桿馬達定向鉆進系統(tǒng)組成

空氣螺桿馬達定向鉆進系統(tǒng)組成主要包括定向鉆頭、空氣螺桿馬達、上（下）無磁鉆桿、測量探管、絕緣短節(jié)、鉆桿、水便、孔口監(jiān)視器、空壓機和流量計等。

（三）定向鉆進工藝

與液動螺桿馬達一樣，空氣螺桿馬達作為一種孔底動力鉆具，其作用原理是將空氣壓縮機提供的高壓空氣通過水便、鉆桿中心進入孔底空氣螺桿驅(qū)動馬達回轉(zhuǎn)，從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)切削破碎孔內(nèi)煤巖層。定向鉆進時，整個鉆桿柱不旋轉(zhuǎn)，僅孔底螺桿鉆具帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，在給進力作用下向前鉆進延伸。

螺桿鉆具之所以用于定向鉆進，主要基于兩個原因：一是空氣螺桿馬達的定向過程中，鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石，而整個鉆具不回轉(zhuǎn);二是空氣螺桿馬達下端設(shè)置彎外管，使螺桿鉆具彎曲，在鉆壓的作用下，將使鉆頭對孔壁四周產(chǎn)生不等的側(cè)向力，從而實現(xiàn)造斜鉆進。

鉆孔軌跡控制主要通過改變孔底空氣螺桿馬達彎角的方向（即工具面向角）來實現(xiàn)。系統(tǒng)中隨鉆測量探管將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角等數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇卓诒O(jiān)視器內(nèi)進行處理，形成鉆孔實鉆軌跡并顯示。根據(jù)設(shè)計軌跡與實鉆軌跡偏斜狀況，調(diào)整工具面向角以達到調(diào)整鉆孔軌跡或糾偏的目的，保證鉆孔軌跡沿預(yù)定方向延伸。

2 工程實施情況

2.1 鉆孔施工情況

定向順層鉆孔從2019年11月6日開始施工，于2020年1月13日結(jié)束施工，鉆孔施工期間沒有出現(xiàn)噴孔、頂鉆等異常動力現(xiàn)象。

0#孔，定向鉆進至129m見頂板砂巖，進尺到147m仍是砂巖;提鉆至99m開2-1#分支，135m見頂板砂巖，持續(xù)施工至246m，仍是砂巖;提鉆至105m開2-2#分支，持續(xù)施工至201m全煤，返渣量大，塌孔嚴重，終孔提鉆，沖煤量44.28t，下篩管195m。

左3#孔，施工至73m見底板，到119m進入煤層，123m返風量非常大，提鉆檢查馬達掉入孔內(nèi)，打撈失敗，沖煤量23.68t，下篩管116m。

右3#孔，施工至41m見底板，到63m進入煤層，施工至127m見巖石，提鉆到孔深99米處開分支，終孔171m，沖煤量25.7t，下篩管160m。

左1#孔，施工至133m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深209m，沖煤量39.64t，下篩管203m。

左2#孔，施工至180m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深210m，沖煤量41.48t，下篩管190m。

補左3#孔，施工至144m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深228m，沖煤量37.63t，下篩管224m。

右1#孔，施工至120m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深210m，沖煤量45.65t，下篩管201m。

右2#孔，施工至156m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深207m，沖煤量44.32t，下篩管202m。

補右3#孔，施工至70m見煤層底板，108m進入煤層，終孔孔深210m，沖煤量23.68t，下篩管204m。

右4#孔，終孔孔深70m，沖煤量10.5t，下篩管70m。

右5#孔，終孔孔深42m，沖煤量6.1t，下篩管42m。

補左2#孔，終孔孔深126m，沖煤量27.63t，下篩管122m。

左4#孔，終孔孔深72m，沖煤量13.5t，下篩管72m。

左5#孔，終孔孔深40m，沖煤量6.1t，下篩管40m。

補右2#孔，終孔孔深218m，沖煤量90.28t，下篩管208m。

累計成孔15個，工程量2336m，下篩管2249m，累計排煤渣480.17噸，鉆孔等效直徑442mm。

2.2 抽采情況

瓦斯抽采計量從2019年11月11日第一個孔合茬開始，截止2020年1月14日，0#孔累計抽采10074.1m3;左3#累計抽采5294.87m3;右3#累計抽采5273.32m3;左1#累計抽采4990.56m3;左2#累計抽采3442.97m3;補左3#累計抽采7524.39m3;右1#累計抽采4556.1m3;右2#累計抽采3114.12m3補右3#累計抽采3629.38m3。鉆孔施工期間，使用臨時防噴孔系統(tǒng)對鉆孔打鉆期間瓦斯進行抽采，經(jīng)人工每日計量，累計抽采瓦斯11099.2m3。

3 應(yīng)用效果分析

定向順層鉆孔“以鉆代巷”、鉆護一體，為一鉆到位的瓦斯治理施工模式奠定基礎(chǔ)，節(jié)省了底板抽采巷施工，減少了瓦斯治理鉆孔工程量，僅在該實驗地點就節(jié)約瓦斯治理投入約600萬元，煤巷能夠提前2～3個月施工，有效緩解了礦井生產(chǎn)接替緊張局面，實現(xiàn)了安全經(jīng)濟高效開采。

（一）瓦斯治理工程量降低

原始穿層鉆孔每隔30m左右施工一個鉆場，共計施工6個鉆場，巖巷工程量110m，每個鉆場穿層鉆孔工程量3500m，鉆孔工程量21000m;需安排一支掘進隊伍做底抽巷和鉆場，同時為滿足抽采需要，還需至少鋪設(shè)兩趟8寸瓦斯管路，工程量380m;定向順層鉆孔的施工，只需要在巷道迎頭施工一個鉆場，鉆孔一次施工到位，整個工作面鉆孔均能控制在抽采效果有效層位內(nèi)，大大提高鉆孔利用率，也減少了瓦斯治理投入，定向順層鉆孔的施工。

（二）瓦斯治理時間降低

原始穿層鉆孔必須在底抽巷施工鉆場后方可施工穿層鉆孔，往往出現(xiàn)鉆孔臺效低，鉆機搬家頻繁，就會影響采掘接替，留給瓦斯治理鉆孔施工少，同時穿層鉆孔施工的精度也較低（存在為趕施工進度盲目加鉆機給進壓力，影響鉆孔施工精度），繼而影響鉆孔抽采效果，瓦斯未做到抽干、抽盡，給工作面的安全、高效回采帶來隱患;定向順層鉆孔的施工，大大減少了瓦斯治理時間，定向鉆孔在一次施工到位，瓦斯治理與掘進工作面生產(chǎn)的時空關(guān)系得到有效緩解，治災(zāi)時間提前2～3個月，大大提高了安全保障。

（三）安全風險降低

穿層鉆孔施工，穿層鉆場撥門次數(shù)多，巷道三岔門較多，存在撥門時加固不到位引起安全問題的風險，鉆孔施工時鉆機頻繁的搬進、搬出，斜巷運輸起重吊拉安全風險大;定向鉆孔施工后，施工一個定向鉆場，鉆機只需要搬一次，大大降低了安全風險，為掘進工作面安全掘進夯實基礎(chǔ)。

（四）瓦斯抽采效果明顯提升

定向順層鉆孔施工結(jié)束永久合茬后共抽采瓦斯47140.5m3。鉆孔施工期間，使用臨時防噴孔系統(tǒng)對鉆孔打鉆期間瓦斯進行抽采，經(jīng)人工每日計量，累計抽采瓦斯11099.2m3。

鉆孔單孔純流量0.22m3/min，抽采濃度100%，1個鉆孔的抽采純量和1個鉆場相當。定向順層鉆孔施工期間超大排渣，累計排煤渣480.17噸，等效鉆孔直徑442mm。

鉆孔施工結(jié)束后立即進行了效果檢驗，根據(jù)抽采量計算預(yù)抽區(qū)域煤層殘余瓦斯含量3.90m3/t，實測殘余瓦斯含量3.77m3/t，瓦斯治理達標，實現(xiàn)了快速消突。

參考文獻

[1]參考文獻：

[2]俞啟香，礦井瓦斯防治[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990。

[3]張子敏，《瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)》 煤炭工業(yè)出版社 2008.03。

[4]張子敏，《瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測》煤炭工業(yè)出版社 2005.12。