深孔定向長鉆施工工法

【摘 要】隨著我國對煤礦瓦斯治理力度的加強，通過大量施工瓦斯抽放鉆孔有效滿足了煤礦瓦斯治理方針“先抽后采”的要求，降低了抽采區(qū)域瓦斯?jié)舛取５S著抽采瓦斯鉆孔深度不斷增加和對鉆孔軌跡精確定位需求的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的打鉆施工工藝已不能滿足現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)的要求。深孔定向長鉆施工技術(shù)利用孔底馬達驅(qū)動裝置及測斜裝置成功實現(xiàn)了深孔定向技術(shù)的應(yīng)用，突破了鉆孔深度、鉆進盲目性的制約，有效解決了普通鉆孔抽采瓦斯單孔抽采量小、衰減迅速、抽采效率不高的問題，在瓦斯防治與開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著多方面的作用。

【關(guān)鍵詞】深孔定向；長鉆施工；瓦斯治理

深孔定向長鉆施工技術(shù)通過山西潞安工程有限公司在多個高瓦斯礦井抽采工程的應(yīng)用，不斷總結(jié)改進，逐漸形成一套完整的施工工法。深孔定向長鉆施工工法于2013年6月通過了山西省住建廳鑒定委員會的科學(xué)技術(shù)成果鑒定，獲得省級工法的認(rèn)證。

一、工法特點

（一）先封孔后打鉆：將傳統(tǒng)的先成孔后封孔工藝改為先施工封孔段，封孔后繼續(xù)鉆進。

（二）設(shè)計并使用雙向鉆頭：通過摸索改進將鉆頭后方加上金剛石片，在退鉆時加上的金剛石片可以不斷切割鉆頭周圍煤層，防止煤渣卡鉆，方便鉆桿退出，利于鉆孔成型。

（三）施工工程量小、工期短、節(jié)約材料：深孔定向長鉆施工技術(shù)單孔鉆進深度長，通過開分支的技術(shù)擴大了單孔長度及覆蓋范圍，增大了單孔的有效抽采半徑，一個孔可以起到普通鉆孔20~30個孔的作用，施工鉆孔的數(shù)量減少，減小了工程量，縮短了工期，節(jié)約了施工材料。

（四）鉆孔成型好、質(zhì)量高：深孔定向長鉆施工技術(shù)采用孔底馬達動力旋轉(zhuǎn)技術(shù)，只有鉆桿最前面的鉆頭轉(zhuǎn)而后面的鉆桿不轉(zhuǎn)，極大的減少了鉆桿對鉆孔的擾動影響，鉆孔成型好，施工質(zhì)量高。

（五）具有定位功能，可定向鉆探、實現(xiàn)區(qū)域防突：深孔定向長鉆施工技術(shù)利用測量系統(tǒng)和孔外電腦，可以對鉆桿、鉆頭進行精確定位，從而精確控制鉆孔軌跡，可實現(xiàn)“指哪打哪”的功效，對指定區(qū)域施工鉆孔。

（六）施工過程安全可靠:深孔定向長鉆施工過程中在孔口安裝防噴孔裝置，實現(xiàn)氣水渣分離，達到了邊打鉆邊抽采的效果，避免了施工過程中瓦斯噴孔對施工人員的危害，施工過程安全可靠。

二、適用范圍

（一）本工法可用于煤礦井下瓦斯抽（排）放孔、煤層注水孔、防突卸壓孔、地質(zhì)勘探孔及其它工程孔的開鑿。適用于巖石堅固性系數(shù)f＜10的各種煤層及巖層。

（二）為巷道掘進的地質(zhì)情況探測，巷道掘進水的探測，提供更多的依據(jù)，保證巷道掘進安全施工。

三、操作要點

（一）鉆孔的設(shè)計，包括垂直面和水平面的投影圖和鉆孔參數(shù)，應(yīng)盡量避開復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，并通過技術(shù)交底使鉆工清楚該鉆孔的鉆進意圖。

（二）分支位置的布置密度要求能確定煤層頂?shù)装鍖游粯?biāo)高，保證主孔在煤層中鉆進。

（三）鉆孔主孔和分支間設(shè)計間距保證主孔與分支不會打穿，并且間距是否小于有效抽放半徑。

四、鉆機就位、施工物資準(zhǔn)備

（一）鉆機根據(jù)設(shè)計方位角、傾角擺放到位后試運轉(zhuǎn)，檢查各運動部件的油溫、油位、油壓情況。觀察鉆機在試運轉(zhuǎn)過程中的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)有異常聲響、動力頭振動過大、支撐立柱松動，應(yīng)立即停機檢查并加以處理。

（二）鉆機到位檢查完畢后，施工前需準(zhǔn)備速凝水泥、石膏、封孔管、注漿管、孔口三通，并檢查注漿泵完好。

五、鉆機管路安裝

（一）將孔口三通和氣水分離器用鎧裝管連接、供水管與巷道供水系統(tǒng)連接，安裝鉆機冷卻水管。

（二）管路安裝完畢并檢查安裝是否正確、牢固，檢查完成后進行試鉆，檢查水泵水壓、瓦斯抽放線及測量信號是否準(zhǔn)確。

六、開孔、擴孔及封孔

測量系統(tǒng)及管路安裝完成檢驗工作后，使用直徑為96mm鉆頭開孔，開孔時后夾持器夾緊鉆桿，前夾持器松開，后夾持器旋轉(zhuǎn)進行開孔，開孔深度9m后退出所有鉆桿，更換用直徑為153mm專用擴孔鉆頭擴孔9m。擴孔完畢后，采用一端帶法蘭的φ133鋼管對鉆孔進行封孔。將長度為13m的φ25mm PVC管穿入鋼管，有法蘭盤的一端留出4mPVC管連接到封孔泵，用石膏在鋼管兩端將PVC管與鋼管固定在一起，再將長度為3m直徑為25mm的PVC管伸至孔內(nèi)2mm，用石膏將孔口封堵，將余出孔外的PVC管一端連接注漿，待注漿泵壓力表明顯升高時，待上方PVC管有漿溢出，則孔已封實，迅速將2個PVC端口折起，然后再慢慢注漿幾下，將煤壁縫隙滲入漿后，關(guān)閉注漿泵，用雙股8#鐵絲緊密固定端口，則封孔完畢。

七、進鉆、隨鉆測斜調(diào)整角度

將擴孔鉆頭卸下，依次安裝孔底馬達、上無磁鉆桿、測量探管及下無磁鉆桿、水尾。啟動水泵，觀察從汽水分離器返出的水，確認(rèn)返水正常后方可開始給壓鉆進，鉆進過程中每6m進行一次測量并進行數(shù)據(jù)保存操作，將鉆孔的垂直和水平投影坐標(biāo)相應(yīng)地畫在設(shè)計圖上，并與設(shè)計軌跡進行對比，根據(jù)偏移情況及時調(diào)整彎頭方向。

八、開分支

（一）在鉆進過程中每隔30~50米預(yù)留一個分支點。要求留出一個傾角相對較大地方，以便于開出分支。

（二）遇到復(fù)雜地質(zhì)情況，鉆進困難，可以退鉆至最近的預(yù)留分支點，調(diào)整孔底馬達的方向另開分支，實現(xiàn)持續(xù)鉆進。

（三）根據(jù)實際情況設(shè)計開分支進行探頂、探底，可確定頂?shù)装寮懊簩幼呦颍ＷC鉆孔始終在煤層中鉆進。

九、退鉆、并網(wǎng)

鉆孔完成后把孔內(nèi)雜質(zhì)清洗干凈，開始退鉆桿：1）用回轉(zhuǎn)器拔出鉆桿至拆卸位置，關(guān)閉水泵控制閥、流量表隔離閥，停止供水，卸下水尾，用回轉(zhuǎn)器將鉆桿松2-3扣，人工拆下鉆桿。2）將回轉(zhuǎn)器復(fù)位，夾持下一根鉆桿，拔出至拆卸位置，用回轉(zhuǎn)器將鉆桿松2-3扣，人工拆下鉆桿。3）重復(fù)以上操作步驟直至將鉆桿全部拆卸完畢。4) 在退鉆過程中，要求每間隔30~50 m進行一次洗孔操作，以確保退鉆順利和抽放通道的暢通。5）施工完成后將鉆孔并入抽采瓦斯管路，并網(wǎng)要保證嚴(yán)密性，不能漏氣。6）退鉆完成后將測量儀內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至計算機，通過處理后生成相應(yīng)軌跡圖（圖9-1、圖9-2所示）。

圖9-1 高河礦某定向鉆孔設(shè)計與實鉆軌跡剖面圖

圖9-2高河礦某定向鉆孔設(shè)計與實鉆軌跡平面圖

十、效果檢驗

（一）鉆進中每6m進行一次測量，并與設(shè)計軌跡進行對比，確定本組數(shù)據(jù)是否達到了鉆進的目的。

（二）成孔后將打鉆實際測量的數(shù)據(jù)分析后上CAD圖，并通過CAD圖確定鉆孔覆蓋工作面情況，鉆孔抽放間距是否在有效抽放半徑內(nèi)。

（三）并網(wǎng)對鉆孔進行日常監(jiān)測，包括瓦斯?jié)舛取⒖装鍓翰睢⒓兺咚沽髁俊⒒旌贤咚沽髁康龋⑷粘１O(jiān)測臺賬。

十一、質(zhì)量控制

質(zhì)量控制要點：（一）打鉆方位角、傾角等鉆孔施工參數(shù)嚴(yán)格按照鉆孔設(shè)計軌跡要求。（二）遇到煤質(zhì)松軟易出現(xiàn)塌孔區(qū)域，每隔10m～30m向煤層施工傾斜分支孔，用分支孔釋放煤層壓力，盡量降低塌孔幾率。（三）鉆機鉆進中，若鉆孔被煤渣煤粉充實造成無法正常回水，應(yīng)停止鉆進，加大水泵水壓，及時使用高壓水將孔內(nèi)殘渣沖洗干凈，待鉆孔回水正常后方可繼續(xù)鉆進。（四）鉆機鉆進時必須在不同鉆進階段調(diào)整轉(zhuǎn)速，尤其在通過軟煤分層時應(yīng)該降低鉆機推進壓力，加大供水壓力，以減慢鉆進速度，使用高壓水充分排渣。（五）成孔后必須把孔內(nèi)雜質(zhì)清洗干凈，保證抽采效果。（六）封孔要保證鉆孔密實，不漏氣，保證抽放效果。

十二、效益分析

（一）社會效益。通過本次研究表明，采用深孔定向長鉆工藝合理布置鉆孔參數(shù)，可使井下瓦斯抽采達到很好的效果，大大提高煤層瓦斯抽放率，從而確保礦井安全生產(chǎn)。有數(shù)據(jù)證明甲烷氣體的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，當(dāng)鉆孔抽放瓦斯達到合適濃度時，可以將礦井礦井井下煤層瓦斯抽放至地面并合理利用，可減少井下瓦斯向大氣中的排放量，有利于環(huán)境保護，同時符合十八大提出的綠色工業(yè)理念。

（二）經(jīng)濟效益。以解決高河礦北翼E1302工作面（采區(qū)面積300×1000平方米）的瓦斯抽采問題為例，若使用普通鉆機進行瓦斯抽采鉆孔施工，需要施工鉆孔4480個，打鉆進尺72.2萬米，僅打鉆作業(yè)成本為5993萬元。如果使用深孔定向長鉆施工技術(shù)，需要施工鉆孔50個，打鉆進尺6.5萬米，打鉆作業(yè)成本為5336萬元，費用節(jié)約657萬元。除此之外，在人工消耗、掘鉆場數(shù)量、封孔并網(wǎng)材料使用上也有大量節(jié)省。

十三、結(jié)語

（一）高河礦北翼E1302工作面使用深孔定向長鉆施工技術(shù)，施工鉆孔50個能達到高抽巷的抽采效果，顯著提高了瓦斯抽放效果，降低了瓦斯治理費用。

（二）采用深孔定向長鉆工藝，發(fā)展了現(xiàn)有瓦斯抽采技術(shù)，與其他綜合抽放方法相比，具有巨大的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。

作者簡介：劉朋，1984年出生，安全技術(shù)辦主任 山西潞安工程有限公司；王虎偉，1986年出生，生產(chǎn)副經(jīng)理 山西潞安工程有限公司；賈澎波，1988年，業(yè)務(wù)開發(fā)辦主任 山西潞安工程有限公司；陳二亮，1988年，業(yè)務(wù)開發(fā)辦副主任山西潞安工程有限公司