基于定向鉆機(jī)的高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

李 罡 陳鵬飛 賈博宇

(1.義煤集團(tuán)安康部，河南 義馬 472300；2. 義煤集團(tuán)義安礦，河南 新安 471800 ）

義煤集團(tuán)義安煤礦屬于“三軟”煤層，單一采用底板巖巷穿層鉆孔區(qū)域防突措施效果不佳，工作面回采期間上隅角和回風(fēng)流瓦斯依然偏大。采用普通鉆機(jī)施工高位鉆孔時(shí)，需要在工作面回風(fēng)巷內(nèi)每60 m施工一個(gè)鉆場(chǎng)，造成鉆場(chǎng)施工和鉆孔重疊區(qū)域的浪費(fèi)，并且傳統(tǒng)鉆探技術(shù)軌跡無(wú)法精準(zhǔn)控制，鉆孔無(wú)法準(zhǔn)確抽采裂隙帶瓦斯，抽采效果一般。隨著我國(guó)煤礦安全高效瓦斯治理技術(shù)的全面推廣，定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)施工周期短，抽采地點(diǎn)控制精準(zhǔn)，已逐步成為礦井瓦斯防治的重要技術(shù)手段[1-6]。

1 試驗(yàn)裝備

采用ZYWL-4000D煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)，設(shè)備為整體式結(jié)構(gòu)，主要由鉆機(jī)主機(jī)、通纜定向鉆桿、孔底馬達(dá)、ZSZ1500有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆頭等組成。該設(shè)備調(diào)斜角度范圍0°～360°，方位角可調(diào)角度范圍±90°，可以在狹小的鉆場(chǎng)進(jìn)行迎面、巷道全斷面鉆孔施工，配套的有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)采用探管孔外供電技術(shù)，能保證持續(xù)供電，提高打鉆效率。

2試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在義煤集團(tuán)義安礦11040上巷。二111040工作面煤層厚度1.8～8.8 m，平均4.0 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，局部含一層夾矸，大部不含夾矸，夾矸巖性為黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)泥巖。實(shí)測(cè)原始瓦斯含量3.37～11.28 m3/t，原始瓦斯壓力0.10～0.80 MPa，堅(jiān) 固 性 系 數(shù)f為0.14～0.46，瓦斯放散初速度ΔP為15.17～31.66，吸附性常數(shù)a=43.488，b=0.42。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 裂隙帶研究

綜合考慮11040工作面二1煤層發(fā)育高度及煤層賦存情況，施工3個(gè)裂隙帶測(cè)定鉆孔。其中1#鉆孔孔徑113 mm，開孔傾角29°，目標(biāo)方位220°，根據(jù)不同位置的抽采濃度、抽采純流量變化以及日抽采純量確定裂隙帶范圍。通過(guò)對(duì)鉆孔抽采濃度、流量與工作面推進(jìn)期間鉆孔控制煤層頂板高度、水平寬度發(fā)現(xiàn)，1#鉆孔控制煤層頂板高度從20 m開始，抽采濃度、流量和日抽采純量明顯增大，較前期增大1倍左右，28 m后明顯下降。綜合3個(gè)鉆孔抽采情況，說(shuō)明工作面裂隙帶發(fā)育高度為23～27 m，寬度為6～42 m。抽采情況與1#測(cè)定孔控制關(guān)系表見表1。

3.2 高位鉆孔效果試驗(yàn)

3.2.1 鉆孔設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步研究高位定向鉆孔抽采效果，根據(jù)前期裂隙帶研究情況，綜合考慮11040工作面二1煤層發(fā)育高度及工作面煤層賦存情況，選定高位定向長(zhǎng)鉆孔控制煤層頂板上方25 m，控制工作面水平方向42 m。在鉆場(chǎng)內(nèi)共設(shè)計(jì)鉆孔7個(gè)，孔深282 m，開孔傾角21°，目標(biāo)方位225°，1～7#鉆孔開孔方位分別為219°、209°、200°、194°、216°、205°和199°。通過(guò)對(duì)每個(gè)鉆孔抽采濃度、流量與工作面推進(jìn)期間鉆孔控制煤層頂板高度、水平寬度分析抽采效果。布置圖如圖1、圖2。

圖2 11040工作面高位鉆孔開孔布置圖

3.2.2 施工情況

自2020年10月3日開始，礦井在11040工作面上巷施工1個(gè)長(zhǎng) 7 m、深5.5 m、高3.5 m的低位鉆場(chǎng)，自2020年10月9日至2020年11月28日，施工6個(gè)孔深366 m、1個(gè)孔深360 m的高位鉆孔（其中2#孔初次施工時(shí)，由于施工84 m不反水，鉆孔退至33 m，鉆頭掉至孔內(nèi)，重新進(jìn)行了施工），鉆孔平均控制層位為煤層頂板上方25 m，每班平均施工22.5 m。

3.2.3 施工存在問(wèn)題

（1）鉆孔施工過(guò)程中，鉆機(jī)小泵壓力異常偏大，導(dǎo)致泥漿泵水管爆。

（2）11040上巷供水管內(nèi)雜質(zhì)較多，由于鉆機(jī)另配的水箱內(nèi)濾網(wǎng)孔隙較小，致使鉆機(jī)另配的水箱內(nèi)濾網(wǎng)堵塞，影響ZYWL-4000D定向鉆機(jī)供水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）由于11040上巷二1煤層頂板上方20 m處存在一層厚度約0.8 m左右的二2煤，造成鉆孔在施工到該位置時(shí)，易出現(xiàn)塌孔等異常情況。

（4）鉆孔正式施工前，需采用Φ153 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，之后下直徑Φ127 mm套管，然后注漿固管后，方可開始施工。但在前期施工時(shí)，由于固管水泥凝固時(shí)間不足，導(dǎo)致鉆孔固管失敗，重新封堵。

3.2.4 注意事項(xiàng)

根據(jù)定向鉆機(jī)施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，總結(jié)出高位定向鉆孔施工注意事項(xiàng)及操作要點(diǎn)：首先檢查油箱液壓油油位是否在液位計(jì)三分之二以上，開機(jī)之前必須先開靜壓水和冷卻水，檢查鉆機(jī)支護(hù)是否牢固，需旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)時(shí)，必須把鉆機(jī)后上錨固錨固牢靠。開孔、移機(jī)、定位應(yīng)保證鉆機(jī)離孔口小于2 m，嚴(yán)禁使用孔底馬達(dá)開孔。在鉆進(jìn)前應(yīng)先關(guān)掉卸壓水閥，打開供水閥，間隔20 s后再啟動(dòng)泥漿泵，等孔口返出水后，再勻速鉆進(jìn)施工。正常施工過(guò)程鉆進(jìn)中應(yīng)確認(rèn)剎車制動(dòng)處于剎車狀態(tài)（除上下鉆桿和調(diào)整彎頭方向外）。遇計(jì)劃內(nèi)停電，如果正在測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)立即去掉測(cè)量夾，保存數(shù)據(jù)，以防數(shù)據(jù)丟失。上下鉆桿過(guò)程中一定要打開浮動(dòng)位手柄，上鉆桿時(shí)應(yīng)保證旋轉(zhuǎn)壓力不超過(guò)13 MPa，應(yīng)緩慢勻速旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭拆裝鉆桿。遇水量較小，應(yīng)調(diào)節(jié)水泵微調(diào)閥減小吸水量，調(diào)小鉆桿給進(jìn)速度。鉆進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)禁打反轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁同時(shí)打開夾持器、卡盤。

3.3 抽采效果情況

2020年10月10日，11040上 巷1～7#高 位 定向鉆孔中1#孔開始連管抽采，抽采計(jì)量截至2020年12月31日。其中1#鉆孔累計(jì)抽采瓦斯量55 190 m3，2#鉆孔累計(jì)抽采52 909 m3，3#鉆孔累計(jì)抽采27 545 m3，4#鉆孔累計(jì)抽采38 350 m3，5#鉆孔累計(jì)抽采51 135 m3，6#鉆孔累計(jì)抽采60 145 m3，7#鉆孔累計(jì)抽采54 560 m3，總計(jì)抽采瓦斯量339 834 m3。根據(jù)1～7#鉆孔瓦斯抽采情況，工作面推進(jìn)至距鉆孔終孔位置3～7 m左右時(shí)，高位鉆孔逐步出現(xiàn)瓦斯抽采流量；工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔終孔位置后，瓦斯流量和濃度逐步增大；工作面推進(jìn)至鉆孔控制范圍內(nèi)后，鉆孔平均單孔抽采純量0.41 m3/min，鉆孔平均日抽采量590.4 m3，平均抽采濃度18%。而臨近工作面普通低位鉆場(chǎng)高位鉆孔的單孔平均抽采純流量0.08 m3/min，鉆孔平均日抽采量180 m3，平均抽采濃度6%。定向長(zhǎng)鉆孔相比普通鉆孔流量、日抽采量和濃度分別提高5.1倍、3.3倍和3倍。定向長(zhǎng)鉆孔有效抽采長(zhǎng)度達(dá)到210 m以上，相當(dāng)于3個(gè)普通高位鉆孔的控制長(zhǎng)度。通過(guò)定向長(zhǎng)鉆孔的施工，極大地降低了工作面采空區(qū)的上隅角瓦斯涌出量，使上隅角瓦斯涌出量下降了2. 73 m3/min，工作面日生產(chǎn)原煤提高800 t。自高位鉆孔正式起效果開始計(jì)算，為工作面累計(jì)增加原煤產(chǎn)量12 800 t，累計(jì)產(chǎn)生效益486.4萬(wàn)元。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)3個(gè)裂隙帶測(cè)定鉆孔進(jìn)行分析，考察出工作面裂隙帶發(fā)育高度為23～27 m，寬度為6～42 m，對(duì)三軟煤層的類似礦井具有指導(dǎo)意義。

（2）7個(gè)高位定向鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行軌跡控制，鉆孔位于煤層頂板以上25 m的有效鉆孔長(zhǎng)度在210 m 以上，占整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度的57%，相當(dāng)于3個(gè)普通高位鉆孔的控制長(zhǎng)度。定向長(zhǎng)鉆孔相比普通鉆孔流量、日抽采量和濃度分別提高5.1倍、3.3倍和3倍，瓦斯抽采效果良好。

（3）通過(guò)發(fā)現(xiàn)定向長(zhǎng)鉆孔施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，研究總結(jié)鉆孔施工的操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，使鉆孔單孔施工長(zhǎng)度達(dá)到366 m，大大提高瓦斯治理的抽采縱深。

（4）按照無(wú)效、低效就是最大浪費(fèi)的原則，施工高位定向鉆孔可以節(jié)約大量的瓦斯治理時(shí)間，提高瓦斯治理效果。