水平定向鉆孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優勢探討

何建華，張進軍，昝軍才，許 超

(1.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西咸陽712000;2.陜西彬長集團大佛寺礦業公司，陜西彬縣713500;3.中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077)

水平定向鉆孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優勢探討

何建華1，張進軍2，昝軍才2，許 超3

(1.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西咸陽712000;2.陜西彬長集團大佛寺礦業公司，陜西彬縣713500;3.中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077)

煤礦井下水平定向鉆孔在煤礦瓦斯抽采中具有明顯的技術優勢。通過對大佛寺煤礦常規鉆孔工作面瓦斯治理技術的分析，指出了其中不足;經過對定向長鉆孔鉆進工藝、布孔技術進行分析以及通過大佛寺煤礦現場應用，得出定向長鉆孔有利于實現工作面瓦斯區域集中抽采的結論;瓦斯抽采統計數據分析對比證明定向長鉆孔瓦斯抽采效率要明顯優于常規鉆孔。

水平定向鉆進;瓦斯抽采;區域集中抽采;抽采效率;大佛寺煤礦

1 概述

煤礦井下水平隨鉆定向鉆進(以下簡稱“定向鉆進”)技術及裝備是近幾年來新興的一種主要應用于煤礦井下本煤層瓦斯抽采長鉆孔施工的鉆孔工藝技術和配套設備。與常規鉆孔(指主要采用水鉆、風鉆和螺旋鉆等采用回轉鉆進工藝施工的鉆孔［1］)相比，定向鉆進具有軌跡可實時精確控制、可施工分支鉆孔等技術特點，具有大深度、高穿煤率、高抽采效率、有利于大范圍區域集中抽采、一孔多用等技術優勢［2，3］。

陜西彬長大佛寺煤礦瓦斯治理始終堅持“抽放為主、風排為輔”的方針，在采前預抽方面，大佛寺煤礦結合自身特點，形成了多項瓦斯治理技術。大佛寺煤礦自2006年8月投產以來，隨著生產規模不斷擴大，原有的采前瓦斯預抽技術已經難以滿足當前生產需要。為了滿足新時期煤礦安全生產需要，大佛寺煤礦于2011年6月引進了一套ZDY6000LD型定向鉆機及配套裝備，并于當年7月開始應用于該礦本煤層瓦斯抽采鉆孔施工，截止2011年12月，從鉆進及抽采效果來看，該套技術及裝備的應用取得了成功。

2 大佛寺煤礦工作面瓦斯原有區域預抽技術概況

大佛寺煤礦采前瓦斯預抽作業主要技術主要特點是在工作面布置大量鉆孔，通過大范圍管路連接進行工作面瓦斯預抽。采前預抽布孔工藝主要包括:扇形布孔、傾向布孔和常規長鉆孔布孔(見圖1)。

2.1 扇形布孔

在工作面順槽每間隔180 m，布置一組扇形采前預抽鉆孔，每組含鉆孔15個，孔口間距1 m，孔深160～220 m，孔徑113 mm。布孔原理如圖1(a)所示。

扇形布孔可較有效地實現預抽鉆孔的集中施工和瓦斯集中抽采，有利于降低鉆進中設備搬遷勞動強度和節約預抽管路布置。然而這種布孔方法存在鉆孔重疊施工和抽采盲區等問題，鉆孔重疊施工增加了鉆進工作量，抽采盲區問題需要通過在鉆場之間補加鉆孔來解決，不利于高效鉆進、集中抽采和節約成本;同時，扇形布置的鉆孔呈放射形分布，開孔端鉆孔集中，終孔端鉆孔分散，這導致回順一側瓦斯抽采鉆孔密度要明顯低于運順一側，不利于工作面全面瓦斯綜合治理。

圖1 大佛寺原有采前預抽布孔工藝

2.2 傾向布孔

在工作面運、回順每間隔5 m布置一組預抽鉆孔，每組鉆孔2個，孔深160～180 m，孔徑113 mm。布孔原理如圖1(b)所示。

傾向布置的鉆孔可有效覆蓋整個工作面，達到很好地采前預抽效果。然而這種布孔方法鉆孔施工量極大;鉆孔均勻地布置在順槽兩側，設備搬遷工作量大，不利于鉆孔集中施工及瓦斯集中抽采。

2.3 常規長鉆孔布孔

在輔助運輸大巷及工作面中部布置常規長鉆孔施工鉆場，每個鉆場布置2個鉆孔，孔口間距2 m，孔深800 m，鉆孔直徑200 mm。常規長鉆孔布孔方法如圖1(c)所示。

由圖1(c)所以看出，這種布孔方法存在大面積的抽采盲區，對于采面瓦斯全面治理意義不大;從鉆進施工角度來看，施工800 m的常規鉆孔存在難度大、風險高、效率低等不利因素，因此這種方法不宜推廣。

2.4 小結

大佛寺煤礦現有可行的工作面瓦斯布孔技術普遍存在鉆孔施工工作量大、鉆進效率低、勞動強度高、不利于集中抽采等問題。為此，大佛寺煤礦嘗試采用本煤層定向長鉆孔來改善當前瓦斯抽采現狀。

3 定向鉆進技術

3.1 定向鉆進系統裝備

大佛寺煤礦引進的定向鉆進系統裝備主要部件組成如表1所示，系統連接如圖2所示。

表1 定向鉆進技術裝備組成

圖2 煤礦井下水平定向鉆進系統連接示意

3.2 定向鉆進工藝特點

定向鉆進工藝技術最顯著的特點是:鉆孔軌跡實時精確控制和開分支孔功能。定向鉆進施工人員可根據隨鉆測量系統顯示的鉆孔軌跡狀態信息，調整孔底馬達彎頭朝向，通過鉆進實現鉆孔軌跡的人為控制;定向鉆進中可通過“低速磨削分支法”和“高速反復磨削分支法”［4］兩種懸空開分支工藝實現本煤層分支鉆孔施工，分支鉆孔包括從主孔開出的“一級分支鉆孔”和從分支孔中開出的“次級分支鉆孔”。

3.3 本煤層定向長鉆孔施工技術

目前最有效且應用最廣的本煤層長鉆孔鉆進工藝技術為:“探頂—開分支—再探頂—再分支…”的鉆進工藝［4］，如圖3所示。該方法的特點就是在鉆進過程中，每鉆進一定距離(一般為60～100 m)進行一次人為主動探頂，以探測頂板起伏情況，再提鉆一定距離(一般為18～24 m)開分支孔，使鉆孔在頂板下的煤層中向前延伸鉆進，如此不斷重復施工，直至鉆進到設計孔深。這種長鉆孔施工方法具有以下優點:

(1)可準確探測煤層頂板走勢，確定鉆孔空間位置，保證鉆孔在煤層中延伸;

(2)避免了盲目鉆進，提高了鉆孔穿煤率和鉆進效率;

(3)為臨近鉆孔設計、施工提供了現實依據。

圖3“探頂—開分支—再探頂—再分支…”鉆進工藝原理示意

3.4 定向長鉆孔瓦斯區域預抽布孔及抽采技術

結合定向鉆進技術的特點以及本煤層長鉆孔鉆進工藝，在現場應用中，定向鉆進工藝技術形成了“集束”［2］狀鉆孔布置及大面積集中抽采技術，原理如圖4所示。這種布孔方法只需極少數的鉆場布置(以一個長2000 m、寬200 m的綜采工作面為例，只需布置2～3個定向鉆進鉆場即可滿足工作面瓦斯區域抽采定向鉆孔施工的需要)，在每個鉆場按照預先設計施工布滿工作面的定向鉆孔，即可實現工作面瓦斯區域抽采。該技術具有:鉆孔集中施工、瓦斯抽采率高、鉆進效率高、可實現大范圍區域集中抽采等優勢。

圖4“集束”狀鉆孔布置及大面積集中抽采技術原理示意

4 現場應用

4.1 瓦斯概況

定向鉆進施工位于大佛寺煤礦40109工作面1號鉆場，該區域主采煤層為4號煤層，屬特厚煤層，平均11.65 m，煤層瓦斯含量6.305 m3t，絕對瓦斯壓力0.60 MPa，百米鉆孔(常規鉆孔)瓦斯抽采流量0.029 m3min，鉆孔瓦斯流量衰減系數0.03 d－1。

4.2 施工情況

圖5為40109工作面定向長鉆孔實鉆軌跡平面圖，共完成3個定向長鉆孔，鉆孔詳情如表2所示。

圖5 40109工作面定向長鉆孔實鉆軌跡平面

表2 40109工作面定向長鉆孔相關參數

定向鉆進技術及裝備具有鉆孔軌跡人為精確控制及開分支孔技術特點，現場采用鉆孔集束狀布置設計和施工，實現了工作面瓦斯大面積區域集中抽采;同時，“探頂—開分支—再探頂—再分支…”的鉆進工藝(如圖6所示)，既保證鉆孔完全在煤層中延伸，又有利于實現長鉆孔施工。

圖6 3號鉆孔剖面軌跡

4.3 抽采效果分析

鉆孔完工后，分別對2號和3號定向鉆孔瓦斯抽采數據進行了詳細采集和記錄，記錄時間自2011年9月1日起至2011年12月13日，歷時104天。2號鉆孔瓦斯累計抽采量達到525031 m3，日平均抽采量達到5048 m3;3號鉆孔瓦斯累計抽采量達到679104 m3，日平均抽采量達到6530 m3。

圖7 百米鉆孔瓦斯流量變化曲線

圖7為2個鉆孔每百米瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線。由圖中可以看出，定向長鉆孔每百米瓦斯抽采流量平均達到0.2 m3min以上，遠遠高于附近常規鉆孔每百米0.029 m3min的瓦斯抽采流量。可見，定向長鉆孔對于提高瓦斯抽采效率具有顯著的作用。

5 結語

(1)定向長鉆孔“集束”狀布孔工藝可很好地滿足了煤礦井下工作面瓦斯抽采鉆孔集中施工及瓦斯區域集中抽采的需要。

(2)大佛寺煤礦本煤層定向長鉆孔較常規鉆孔對于提高瓦斯抽采效率具有顯著優勢。

［1］石智軍，胡少韻，姚寧平，等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2008.

［2］石智軍，姚寧平，葉根飛.煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術與裝備［J］.煤炭科學技術，2009，37(7):1－4.

［3］石智軍.煤礦坑道近水平鉆探機具與定向鉆進技術［A］.煤科總院50年院慶論文集［C］.2007.

［4］許超，李泉新，劉建林，等.煤礦瓦斯抽采定向長鉆孔高效成孔工藝研究［J］.金屬礦山，2011，(6):39－54.

Discussion of the Advantages of Horizontal Directional Borehole for Gas Drainage in Dafosi Coal Mine

HE Jianhua1，ZHANG Jin-jun2，ZAN Jun-cai2，XU Chao3(1.Shaanxi Binchang Mining Group Co.，Ltd.，Xianyang Shaanxi 712000，China;2.Dafosi Mining Co.，Shaanxi Binchang Mining Group，Binxian Shaanxi 713500，China;3.Xi’an Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group Co.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

Underground horizontal directional borehole in coal mine has more technological advantages than the conventional bore hole in gas drainage.This paper analyzed the gas control technology of working face in conventional borehole of Dafosi coal mine with the disadvantages being pointed out.Based on the analysis on the drilling technology and borehole arrangement of long directional borehole and the field application，the conclusion is that the directional borehole is good for the centralized regional gas drainage in the working face.The data of the gas drainage proves that the gas drainage efficiency of the directional borehole is better than the conventional borehole.

horizontal directional drilling;gas drainage;centralized regional gas drainage;drainage efficiency;Dafosi coal mine

P634.7

A

1672－7428(2012)08－0036－03

2012－03－27

何建華(1965－)，男(漢族)，安徽碭山人，陜西彬長礦業集團有限公司通風部副經理、工程師，采礦工程專業，從事煤礦瓦斯安全管理工作，陜西省咸陽市世紀大道中段58號彬長大廈。