深孔定向鉆機(jī)在瓦斯防治中的應(yīng)用研究

王圣普

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺(tái) 054201）

0 引 言

隨著東龐礦煤炭采掘生產(chǎn)不斷向更深部區(qū)域延伸，開采的深度和強(qiáng)度繼而增加，礦井煤層賦存地質(zhì)條件日趨復(fù)雜多變，礦井瓦斯涌出量逐漸增加，礦井瓦斯抽采力度不斷加大，鉆孔、鉆場工程量也逐年增加，在瓦斯治理上瓦斯抽采[1-3]發(fā)揮了巨大作用，確保了礦井安全生產(chǎn)，但工作面高產(chǎn)高效的需要，對(duì)礦井瓦斯治理工作提出了更高的要求，尤其在瓦斯抽采工程超前實(shí)施方面，繼續(xù)采用普通鉆探設(shè)備已不能滿足礦井集約化生產(chǎn)，煤巷掘進(jìn)效率、采煤工作面產(chǎn)量、礦井采掘銜接等均受到了一定程度的影響。

為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，提升礦井安全保障能力，很多礦井積極引進(jìn)了定向液壓深孔鉆機(jī)。該設(shè)備具有指向性精準(zhǔn)、鉆進(jìn)深度長、鉆孔可控制抽采范圍大、對(duì)井下作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、可施工定向鉆孔。根據(jù)東龐礦瓦斯治理現(xiàn)狀[8]，在瓦斯抽采上系統(tǒng)、深入地開展深孔定向鉆機(jī)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新研究顯得十分必要，并且意義深遠(yuǎn)。

1 工程概況

東龐礦東龐井主采2 號(hào)煤層，煤層平均厚度約4.18 m。大部分為單一煤層，在礦井可采范圍北部分布著大面積的多煤層分叉區(qū)，且2 號(hào)煤中普遍存在0.9~2.0 m 厚夾矸層。根據(jù)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果，東龐礦2 號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中測算的2 號(hào)煤層瓦斯含量6.46 m3/t 以下，瓦斯壓力1.15 MPa 以下。2021 年8月測算絕對(duì)瓦斯涌出量32.25 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量5.63 m3/t。2 號(hào)煤層的透氣性系數(shù)為0.046 m2/(MPa2·d)，屬于較難抽放煤層。

2 深孔定向鉆機(jī)

2.1 原 理

礦井近水平深孔千米定向鉆探技術(shù)是煤礦井下鉆探領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，采用領(lǐng)先的孔底螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人為控制鉆孔鉆進(jìn)軌跡，主要應(yīng)用于巖層（普氏系數(shù)f＜6） 和較穩(wěn)定、較硬煤質(zhì)煤層（普氏系數(shù)f＞0.6） 的瓦斯抽放鉆孔和地質(zhì)勘探孔。定向鉆孔相比較于普通抽采鉆孔，具有可控鉆孔軌跡、可實(shí)現(xiàn)長孔深鉆進(jìn)、鉆孔覆蓋抽采區(qū)域廣、遇障礙時(shí)可在孔內(nèi)可開分支等優(yōu)點(diǎn)。在采用孔底螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)過程中，將探管連接在孔底螺桿馬達(dá)后面，在鉆進(jìn)過程中，探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)通過專用鉆桿傳送到鉆機(jī)自帶礦井專用防爆電腦，通過內(nèi)置軟件的自動(dòng)分析處理，在電腦上顯示鉆孔參數(shù)、設(shè)計(jì)軌跡、鉆孔軌跡等信息，通過對(duì)比分析鉆孔軌跡和設(shè)計(jì)軌跡的差別，及時(shí)調(diào)整孔底螺桿馬達(dá)彎頭的朝向，從而使得鉆孔可以按原設(shè)計(jì)軌跡施工，從而實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。

2.2 測量系統(tǒng)及參數(shù)

測量系統(tǒng)采用YHD2-1000（A） 隨鉆測量裝置，裝置由YHD2-1000J 礦用隔爆兼本安型計(jì)算機(jī)、YHD2-1000P 礦用本安型鍵盤、YHD2-1000C數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和YHD2-1000T（A） 礦用本安型隨鉆測量裝置探管組成。礦用本安型隨鉆測量裝置探管采用計(jì)算機(jī)孔口供電，可在孔內(nèi)連續(xù)使用，不需要中途更換。深孔定向鉆機(jī)定向鉆進(jìn)示意如圖1所示。

3 風(fēng)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 21218 工作面切眼塊段概況

21218 工作面瓦斯情況為第一階段測得2 號(hào)煤最大原始瓦斯含量5.4711 m3/t，瓦斯壓力0.583 MPa；第二階段抽采前實(shí)測煤層瓦斯含量最大為5.7187 m3/t，瓦斯壓力0.589 MPa。

圖1 深孔定向鉆機(jī)定向鉆進(jìn)示意Fig.1 Directional drilling of deep hole directional drilling rig

3.2 定向順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域防突措施

12 采區(qū)21218 工作面切眼塊段范圍包括外部切眼89.99 m、補(bǔ)軌道巷76 m、里部切眼89.9 m、工作面皮帶巷（里段） 75.8 m 及其合圍的21218 工作面回采區(qū)域內(nèi)的2 號(hào)煤層，采取煤層定向深孔千米鉆機(jī)施工“順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯”的區(qū)域防突措施。

順層鉆孔采用ZDY4000LD（C） 定向千米鉆機(jī)施工，鉆孔直徑為113 mm，終孔間距≤4.5 m，該區(qū)域順層預(yù)抽鉆孔分2 個(gè)階段進(jìn)行施工，第一階段先施工定向鉆孔覆蓋21218 工作面外切眼、補(bǔ)軌道巷，共設(shè)計(jì)鉆孔51 個(gè)，鉆孔量6 196 m。第二階段施工定向鉆孔覆蓋切眼、皮帶巷（里段），共設(shè)計(jì)鉆孔44 個(gè)，鉆孔量4 310 m。要求鉆孔封孔深度不得少于15 m，抽采時(shí)間不得少于30 d，孔口負(fù)壓不小于13 kPa。鉆孔施工完畢后要求下護(hù)孔套管，防止鉆孔塌孔。合計(jì)95 個(gè)鉆孔，10 506 m。21218切眼塊段區(qū)域防突措施鉆孔布置平面如圖2 所示。

3.3 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)情況

第一階段鉆孔自2020 年10 月2 日開始抽采，至2021 年1 月13 日，第一階段所有預(yù)抽鉆孔已抽采期滿30 d，鉆孔抽采負(fù)壓不低于13 kPa，經(jīng)統(tǒng)計(jì)第一抽采階段共抽采瓦斯10.867 5 萬m3。第二階段鉆孔自2021 年5 月22 日開始抽采，至7 月25日，第二階段所有預(yù)抽鉆孔已抽采滿30 d，抽采負(fù)壓不低于13 kPa，經(jīng)統(tǒng)計(jì)第二階段共抽采瓦斯5.644 7 萬m3。

東龐礦于2021 年1 月14 日—2021 年1 月25日，按照設(shè)計(jì)施工了5 個(gè)鉆孔對(duì)第一階段進(jìn)行效果檢驗(yàn)，共布置18 個(gè)效果檢驗(yàn)點(diǎn)。2021 年7 月25日—8 月2 日，按照設(shè)計(jì)施工了5 個(gè)鉆孔對(duì)第二階段進(jìn)行效果檢驗(yàn)，共16 個(gè)效果檢驗(yàn)點(diǎn)，效果檢驗(yàn)孔采用西安煤科院ZDY4000LD（C） 履帶式全液壓深孔定向鉆機(jī)結(jié)合重慶煤科院研制SDQ 專用定點(diǎn)取樣裝置在現(xiàn)場按要求取樣，并進(jìn)行了殘余瓦斯含量等瓦斯基本參數(shù)的測定，34 個(gè)效果檢驗(yàn)點(diǎn)測定的煤體殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，殘余瓦斯壓力均小于0.6 MPa，符合礦井規(guī)程要求。區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)鉆孔在施工過程中，沒有出現(xiàn)噴孔、頂鉆等煤與瓦斯突出預(yù)兆，因此判定區(qū)域預(yù)抽防突措施合格有效。

圖2 21218 切眼塊段區(qū)域防突措施鉆孔布置平面Fig.2 Layout plane of No.21218 boreholes for outburst prevention measures in section area

3.4 工作面掘進(jìn)期間瓦斯情況

（1） 第一階段掘進(jìn)情況。

21218 外切眼—補(bǔ)軌道巷掘進(jìn)期間迎頭瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.41%，日平均瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.09%，工作面掘進(jìn)期間瓦斯涌出正常，無瓦斯異?，F(xiàn)象發(fā)生。連續(xù)22 d 的記錄數(shù)據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖3所示。

21218 切眼—皮帶巷里段掘進(jìn)期間迎頭瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.46%，日平均瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.1%，工作面掘進(jìn)期間瓦斯涌出正常，無瓦斯異常現(xiàn)象發(fā)生。記錄數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖3 21218 外切眼—補(bǔ)軌道巷掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.3 Changes of gas concentration during excavation of No.21218 external cutting-replenishing track roadway

通過對(duì)21218 工作面外切眼、補(bǔ)軌道巷、切眼、皮帶巷里段掘進(jìn)瓦斯?jié)舛茸兓瘮?shù)據(jù)的收集和分析，采取定向順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施后，外切眼—補(bǔ)軌道巷—切眼—皮帶巷里段掘進(jìn)期

（2） 第二階段掘進(jìn)情況。間工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)均小于臨界值，且掘進(jìn)期間瓦斯涌出量平穩(wěn)，掘進(jìn)工作面迎頭及回風(fēng)瓦斯均處于低值，從目前掘進(jìn)實(shí)際情況看，在東龐礦利用定向順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域防突技術(shù)取代底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽這一技術(shù)試驗(yàn)是成功的可行的。

圖4 21218 切眼掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.4 Chart of gas concentration change during cutting hole driving in No.21218 Face

3.5 經(jīng)濟(jì)效益情況與推廣價(jià)值

底板穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施與定向順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域防突措施對(duì)比（表1）。

綜上所述，采用風(fēng)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)定向鉆孔區(qū)域防突措施后可節(jié)約費(fèi)用513.42 萬元，可節(jié)約施工時(shí)間7.75 個(gè)月。該方法通過在東龐礦的實(shí)際應(yīng)用，有效減少了鉆孔工程量，并且為該礦提供了一種新的消突方法，進(jìn)一步提高了礦井防突管理水平，使防突工作更具針對(duì)性、超前性和準(zhǔn)確性，保證了礦井正常接替，為礦井實(shí)現(xiàn)長治久安奠定了基礎(chǔ)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表1 風(fēng)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)定向順層鉆孔與底板穿層鉆孔對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of directional borehole and bottom borehole of screw motor with wind hole

4 結(jié) 論

（1） 采用風(fēng)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)定向鉆孔區(qū)域防突措施后可節(jié)約費(fèi)用513.42 萬元，可節(jié)約施工時(shí)間7.75 個(gè)月，有效減少了鉆孔工程量。

（2） 通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了適合東龐礦2 號(hào)煤層賦存特點(diǎn)的深孔定向鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)合理配比、鉆孔開口角度以及泵壓力、流量、鉆進(jìn)速度等鉆探綜合技術(shù)參數(shù)。充分發(fā)揮該鉆機(jī)的定向鉆進(jìn)功能，使鉆孔可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)計(jì)終孔位置。該鉆機(jī)施工定向鉆孔孔深在理論上可以達(dá)到160 m 水平，鉆孔有效抽采時(shí)間長。

（3） 深孔定向鉆機(jī)具有定向開分支孔功能，通過在主孔上開分支孔可增大鉆孔的覆蓋面積，增大卸壓范圍，提高抽放效果，縮短瓦斯預(yù)抽時(shí)間。實(shí)現(xiàn)一孔多用，頂板水平主孔向采空區(qū)開分支，使綜采工作面開采完畢后，仍然可以繼續(xù)抽采，加強(qiáng)了采空區(qū)瓦斯管理，同時(shí)，可利用鉆孔進(jìn)行采空區(qū)注漿，加強(qiáng)采空區(qū)防滅火管理。