鑫順礦超長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

馮國(guó)文

(山西煤炭進(jìn)出口總公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山西　太原　030000)

·試驗(yàn)研究·

鑫順礦超長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

馮國(guó)文

(山西煤炭進(jìn)出口總公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山西太原030000)

摘要針對(duì)目前煤礦使用的普通鉆機(jī)出現(xiàn)的鉆孔深度淺，預(yù)抽時(shí)間短，工程量大，抽采范圍具有局限性等問(wèn)題，以鑫順礦15101運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面應(yīng)用VLD-1000千米鉆機(jī)為例，通過(guò)分析定向鉆進(jìn)原理，對(duì)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)、鉆孔軌跡預(yù)測(cè)以及鉆孔軌跡控制等3個(gè)方面進(jìn)行了研究，得出工具面向角是影響螺桿鉆具改變鉆孔軌跡主要因素。實(shí)踐表明：利用千米鉆機(jī)抽排120天后殘余瓦斯含量7.98 m3/t，小于8 m3/t，抽采達(dá)標(biāo)，且千米鉆機(jī)需要的總費(fèi)用低于普通鉆機(jī)，節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞千米鉆機(jī)；定向鉆進(jìn)；軌跡設(shè)計(jì)；軌跡預(yù)測(cè)；軌跡控制；工具面向角

近年來(lái)，隨著煤礦開采深度逐漸增加，地應(yīng)力增大，煤層及圍巖的透氣性變差，瓦斯向地面運(yùn)移的距離增加，煤層瓦斯含量變大[1].而瓦斯又是煤礦災(zāi)害的主要因素，因此，治理礦井瓦斯災(zāi)害在煤礦安全生產(chǎn)中顯得尤為重要[2].一般認(rèn)為，在瓦斯抽采過(guò)程中，應(yīng)盡可能的多抽瓦斯，擴(kuò)大抽采范圍，以及改進(jìn)抽采工藝，優(yōu)化抽放系統(tǒng)和設(shè)備等。鑒于此，山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司鑫順煤礦引進(jìn)澳大利亞千米鉆機(jī)VLD-1000，利用定向鉆進(jìn)和水平分支的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行瓦斯抽采。澳大利亞VLD-1000千米鉆機(jī)具有精確控制鉆孔軌跡、增加鉆孔深度、單孔抽采量大、衰減期長(zhǎng)、抽采效率高、抽采范圍大等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此，被廣泛地應(yīng)用在煤礦瓦斯治理工作中。本文以鑫順礦為例，對(duì)千米鉆機(jī)井下鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。

1千米鉆機(jī)物理參數(shù)

VLD -1000鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭式履帶鉆機(jī)，整體式布局，采用緊湊的整體履帶結(jié)構(gòu)，有利于整體操作、搬運(yùn)。鉆機(jī)主要由主機(jī)、電動(dòng)機(jī)泵組、操縱裝置、履帶車體、穩(wěn)固裝置、電磁啟動(dòng)器、泥漿泵等組成[4]，在施工過(guò)程中不僅可以通過(guò)螺桿馬達(dá)實(shí)現(xiàn)定向打鉆，同時(shí)可利用常規(guī)的孔口動(dòng)力回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)不同的鉆孔施工需求。鉆機(jī)基本物理參數(shù)見表1.

表1　基本物理參數(shù)表

2千米定向鉆機(jī)鉆進(jìn)原理

VLD-1000鉆機(jī)整體采用履帶式行走式設(shè)計(jì)，操作平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)系統(tǒng)見圖1.

圖1　定向鉆進(jìn)系統(tǒng)示意圖

與其他普通鉆機(jī)相比，千米鉆機(jī)具有定向系統(tǒng)，普通鉆機(jī)無(wú)法隨著煤層的傾斜情況對(duì)鉆孔做出相應(yīng)的調(diào)整，定向鉆進(jìn)系統(tǒng)可隨鉆孔的鉆進(jìn)測(cè)量出傾角、方位、工具面等主要開孔參數(shù)，同時(shí)在監(jiān)視器屏幕上顯示鉆孔參數(shù)、軌跡等，便于操作人員及時(shí)了解成孔情況，根據(jù)瓦斯抽采設(shè)計(jì)要求，按照指定目標(biāo)定向鉆進(jìn)。

2.1　鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

在隨鉆測(cè)量過(guò)程中，每隔3 m或6 m進(jìn)行一次測(cè)量，并得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的3個(gè)基本要素：孔深、傾角和方位角，在開孔點(diǎn)坐標(biāo)和3個(gè)基本參數(shù)已知的情況下，一般開孔坐標(biāo)取(0,0,0)，3個(gè)基本參數(shù)取開孔參數(shù)。通過(guò)第二個(gè)點(diǎn)測(cè)量的3個(gè)基本要素值可得出第二個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)增量，以此類推，可得到以后每個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。在鉆孔軌跡坐標(biāo)計(jì)算時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)增量可以采用不同的計(jì)算方法，但坐標(biāo)值的累加形式是相同的，即：

(1)

式中：

X—X軸坐標(biāo)值,m；

Y—Y軸坐標(biāo)值,m；

Z—Z軸坐標(biāo)值,m；

S—水平投影長(zhǎng)度值；

θ—傾角,(°)；

α—方位角,(°)；

L—鉆孔深度值,m.

關(guān)于軌跡坐標(biāo)計(jì)算方法有很多種，因平均角法簡(jiǎn)單易于操作，易于編程，計(jì)算的結(jié)果介于最小曲率法與曲率半徑法之間，因此是最接近曲線法的結(jié)果。

平均角法又稱為均角全距法。假設(shè)鉆進(jìn)中相鄰測(cè)點(diǎn)間孔段為直線，長(zhǎng)度等于測(cè)距，且該直線的傾角和方位角分別等于上下兩測(cè)點(diǎn)的傾角和方位角的平均值，見圖2.

圖2　平均角法軌跡計(jì)算坐標(biāo)示意圖

圖2a)為鉆孔軌跡在經(jīng)過(guò)測(cè)量孔段的水平面上的投影圖，圖2b)為鉆孔軌跡在鉆垂面上的投影圖，Mi-1、Mi是鉆孔軌跡上任意相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在水平面和鉛垂面上的投影，根據(jù)圖2所示的三角函數(shù)關(guān)系，可得到平均角法的坐標(biāo)增量計(jì)算公式[5]如下：

(2)

其中：

(3)

由于“平均角法”假定相鄰測(cè)點(diǎn)間的孔段為直線，因此，計(jì)算出的鉆進(jìn)軌跡為一空間折線。為了精確描述實(shí)際的鉆進(jìn)軌跡，可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，即減小兩測(cè)量點(diǎn)間的距離，從而提高精度。由于此法計(jì)算簡(jiǎn)單，加之煤礦井下定向鉆進(jìn)對(duì)測(cè)量精度要求不是很高，因此，在實(shí)際測(cè)量中經(jīng)常被采用。

2.2　鉆孔軌跡預(yù)測(cè)

在鉆探過(guò)程中，當(dāng)選用合適口徑的螺桿鉆具用于造斜鉆進(jìn)或正常定向鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)定向彎接頭或彎外管，可達(dá)到不同的造斜效果。井眼方向可以用井斜角和井斜方位角表示。在千米鉆機(jī)定向鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)造斜工具改變井斜角和方位角，通常用造斜率來(lái)衡量造斜工具的造斜能力。數(shù)值上等于該造斜工具鉆出的井眼的曲率。

為了掌握螺桿鉆具造斜鉆進(jìn)的方法，需熟悉工具面向角對(duì)傾角變化和方位控制的影響。工具面向角對(duì)傾角的影響見圖3.當(dāng)工具面位于Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，其效應(yīng)是增斜的；當(dāng)工具面位于Ⅱ、Ⅲ象限時(shí)，其效應(yīng)為降斜的。若裝置角Ω=0°或180°，則其效應(yīng)是全力造斜上仰或全力降斜。彎接頭螺桿鉆具組合的工具面向角對(duì)鉆孔的方位也有著顯著影響，見圖4.當(dāng)工具面位于Ⅰ、Ⅱ象限時(shí)，其效應(yīng)是增方位的；當(dāng)工具面位于Ⅲ、Ⅳ象限時(shí)，其效應(yīng)為降方位的。若裝置角Ω=90°，則為全力增方位；若Ω=-90°(即270°)，則為全力減方位。當(dāng)然要準(zhǔn)確地控制方位，重要的一點(diǎn)是定量控制工具面向角，但由于停泵才能對(duì)工具面向角進(jìn)行測(cè)量，造成反扭角改變，使測(cè)量值與實(shí)際值出入較大，因此，需對(duì)螺桿鉆具反扭角進(jìn)行定量計(jì)算或根據(jù)鉆孔實(shí)際狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，是定向鉆進(jìn)和方位控制的一個(gè)重要問(wèn)題。

圖3　工具面向角對(duì)傾角的影響示意圖

圖4　工具面向角對(duì)方位的影響示意圖

2.3　鉆孔軌跡控制

在鉆孔軌跡控制技術(shù)中，根據(jù)監(jiān)視器顯示的鉆孔實(shí)際軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)以及鉆孔設(shè)計(jì)軌跡的空間關(guān)系，分析得出鉆孔在煤層鉆進(jìn)過(guò)程中所需的工具面向角組合，根據(jù)預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)出工具面向角產(chǎn)生鉆孔的變化情況，并通過(guò)調(diào)整工具面向角在煤層中所在位置，使鉆具產(chǎn)生的造斜力和地應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，確保實(shí)際鉆孔軌跡在設(shè)計(jì)鉆孔軌跡上下和左右一定范圍內(nèi)波動(dòng)。定向鉆孔軌跡合理控制目的:1) 確保鉆孔軌跡平滑，避免鉆孔摩擦阻力過(guò)大增加施工風(fēng)險(xiǎn)。 2) 確保鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡施工。

3實(shí)際工程應(yīng)用

3.1　15101運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)布孔方式

鑫順礦15101運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 616 m，現(xiàn)已掘至940 m，剩余676 m.在距15101運(yùn)輸巷掘進(jìn)工面12 m和20 m處上下兩幫各開設(shè)了一個(gè)千米鉆場(chǎng)，下幫為1#鉆場(chǎng)，上幫為2#鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)長(zhǎng)8 m，深4 m.鉆孔布置圖見圖5.

圖5　掘進(jìn)工作面鉆孔布置圖

15101運(yùn)輸巷共設(shè)計(jì)兩個(gè)鉆場(chǎng)，1#千米鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工3個(gè)鉆孔，孔徑100 mm，開孔間距0.5~1 m，孔深708~709 m，鉆孔中心距煤層底板1.5 m，鉆孔控制區(qū)域?yàn)?5101運(yùn)輸巷中心線及下幫18 m的范圍。2#千米鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)施工2個(gè)鉆孔(孔號(hào)編號(hào)4#、5#)，孔徑100 mm，開孔間距0.5~1 m，孔深689~690 m，鉆孔中心距煤層底板1.5 m，鉆孔控制區(qū)域?yàn)?5101運(yùn)輸巷上幫10 m，鉆孔中心距煤層底板1.5 m.1#孔控制15102回風(fēng)巷；2#孔控制巷道下幫10 m，正前708 m范圍；3#孔控制15102回風(fēng)巷下幫4 m，正前708 m范圍，3#孔的另兩主分支控制15101運(yùn)輸巷中心線以里100~400 m，每個(gè)主分支長(zhǎng)度為200 m，控制巷的長(zhǎng)度為140 m；4#孔控制15101運(yùn)輸巷上幫4 m，正前689 m范圍，4#孔的另兩主分支控制15101運(yùn)輸巷中心線以內(nèi)400~700 m；5#孔控制15101運(yùn)輸巷上幫10 m，正前690 m范圍，每個(gè)主分支長(zhǎng)度為200 m，控制巷的長(zhǎng)度為140 m.

3.2　抽采工藝及效果檢驗(yàn)

1#鉆孔：施工8個(gè)分支，總進(jìn)尺1 014 m，最長(zhǎng)孔深426 m.平均流量0.31 m3/min，平均濃度53.4%，平均負(fù)壓34.2 kPa，累計(jì)抽放瓦斯純量88 747 m3.

2#孔：施工20個(gè)分支，總進(jìn)尺2 127 m，最長(zhǎng)孔深531 m.平均流量0.39 m3/min，平均濃度 52.3%，平均負(fù)壓37.7 kPa，累計(jì)抽放瓦斯純量86 584 m3.

3#孔：施工6個(gè)分支，總進(jìn)尺801 m，最長(zhǎng)孔深453 m.平均流量0.27 m3/min，平均濃度45.9%，平均負(fù)壓34.2 kPa，累計(jì)抽放瓦斯純量48 965 m3.

4#孔：施工3個(gè)分支，總進(jìn)尺237 m，最長(zhǎng)孔深147 m.平均流量0.34 m3/min，平均濃度47.5%，平均負(fù)壓34.4 kPa，累計(jì)抽放瓦斯純量58 092 m3.

5#孔：施工7個(gè)分支，總進(jìn)尺918 m，最長(zhǎng)孔深603 m.平均流量0.38 m3/min，平均濃度53.8%，平均負(fù)壓37.0 kPa，累計(jì)抽放瓦斯純量58 543 m3.

根據(jù)瓦斯抽采后殘余瓦斯含量公式：

(4)

式中：

WCY—煤的殘余瓦斯含量，m3/t；

W0—煤的原始瓦斯含量，m3/t，取13.27；

QF—掘進(jìn)前風(fēng)排瓦斯總量，m3，取345 600；

QC—鉆孔抽采瓦斯總量，m3，取303 872.5；

G—鉆孔控制區(qū)域煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量，t，取122 892.

把相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算可得抽采后殘余瓦斯含量為：WCY=7.98 m3/t

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)規(guī)定，當(dāng)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)測(cè)定的煤層殘余瓦斯含量都<8 m3/t時(shí)，則評(píng)判為突出煤層評(píng)價(jià)范圍預(yù)抽瓦斯防突效果達(dá)標(biāo)。經(jīng)計(jì)算，15101膠帶巷抽排120天后殘余瓦斯含量7.98 m3/t<8 m3/t，因此，抽采達(dá)標(biāo)。

3.3　費(fèi)用對(duì)比

掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)設(shè)一個(gè)鉆場(chǎng)，3 270 m進(jìn)尺，每米單價(jià)850元，進(jìn)尺總價(jià)277.95萬(wàn)元，施工一個(gè)千米鉆場(chǎng)2萬(wàn)元，掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)成本是279.95萬(wàn)元。采用小鉆機(jī)進(jìn)行施工，共需3種類型的鉆場(chǎng)20個(gè)，分別為迎頭鉆場(chǎng)、兩側(cè)耳鉆場(chǎng)、掩護(hù)鉆場(chǎng)，總進(jìn)尺是29 860 m，每米單價(jià)88元，進(jìn)尺總價(jià)262.768萬(wàn)元，施工一個(gè)小鉆機(jī)鉆場(chǎng)1萬(wàn)元，掘進(jìn)工作面小鉆機(jī)成本是282.768萬(wàn)元。

4結(jié)論

1) 和普通鉆機(jī)相比，VLD-1000千米鉆機(jī)施工鉆孔長(zhǎng)，位置精準(zhǔn)，可按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡進(jìn)行施工，成孔效果好，預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)，瓦斯抽采濃度高，瓦斯抽采量大。

2) 鑫順礦15101掘進(jìn)工作面采用VLD-1000千米鉆機(jī)預(yù)抽掘進(jìn)面瓦斯，經(jīng)計(jì)算，預(yù)抽120天后參與瓦斯量為7.98 m3/t<8 m3/t，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)為抽采達(dá)標(biāo)。

3) 通過(guò)與小鉆機(jī)費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)千米鉆機(jī)總進(jìn)尺數(shù)大，雖然進(jìn)尺數(shù)的費(fèi)用高于普通鉆機(jī)，但總費(fèi)用低于普通鉆機(jī)，節(jié)約了成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Study on Gas Drainage Technique of Ultra Long Drilling in Xinshun Coal Mine

FENG Guowen

AbstractAiming at the problems of common drilling machine in coal mine. Takes 15101 transportation roadway advancing working face of Xinshun mine using VLD-1000 kilometer drilling machine as an example, analyzes directional drilling principle, studies borehole trajectory design, borehole trajectory prediction and borehole trajectory control. Obtains that angle of tool is the main influence factor of PDM drill changing borehole track. Gas drilling practice of tunneling working face shows that the content of residual gas is 798 m3/t after drilling 120 days by using kilometer drilling machine, it reaches the standard, and the total cost of using kilometer drilling machine is lower than common drilling machine, saves cost and increases economic efficiency.

Key wordsKilometer drilling machine; Directional drilling; Trajectory design; Trajectory prediction; Trajectory control; Angle of tool

中圖分類號(hào)：[TD41]

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)08-0004-04

作者簡(jiǎn)介：馮國(guó)文(1970—)，男，山西大同人，1992年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院，高級(jí)工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)與管理工作(E-mail)xihua_zhou68@163.com

收稿日期：2015-06-09