松軟薄煤層定向順層快速消突技術(shù)

李磊

摘 要：治理煤巷條帶瓦斯，傳統(tǒng)方式為機(jī)風(fēng)巷施工底板穿層鉆孔，該方式鉆機(jī)搬運(yùn)頻繁、效率低，鉆孔軌跡難以控制，抽采效果不佳。定向順層鉆孔不僅深度大，且鉆孔軌跡精準(zhǔn)可控，抽采效果好，可有效保障工作面掘進(jìn)期間瓦斯安全高效治理。

關(guān)鍵詞：薄煤層;定向順層;消突

1.工程概況

施工地點(diǎn)工作面標(biāo)高-567.2～-665.2m，處于突出危險(xiǎn)區(qū)，煤層厚度為1.05～2.3m，平均1.8m，煤層傾角13～34°，平均21°，煤層頂板為砂巖，底板為泥巖。煤層瓦斯放散初速度為6mmHg;煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.3;煤層瓦斯壓力最大值為0.69MPa，瓦斯含量最大值為6.63m3/t。

巷道走向長(zhǎng)度196m，采用定向順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯。設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔，中間孔（0#孔）平面沿巷道中線(xiàn)，兩側(cè)各布置3個(gè)鉆孔，孔間距6m，控制巷道兩幫輪廓線(xiàn)外15m。

1.1施工工藝

（一）定向鉆進(jìn)軌跡控制

空氣螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)施工工藝主要借鑒煤礦井下液動(dòng)馬達(dá)定向施工工藝方法和風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)，并根據(jù)軟煤鉆進(jìn)特點(diǎn)進(jìn)行研究。

（二）空氣螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)組成

空氣螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)組成主要包括定向鉆頭、空氣螺桿馬達(dá)、上（下）無(wú)磁鉆桿、測(cè)量探管、絕緣短節(jié)、鉆桿、水便、孔口監(jiān)視器、空壓機(jī)和流量計(jì)等。

（三）定向鉆進(jìn)工藝

與液動(dòng)螺桿馬達(dá)一樣，空氣螺桿馬達(dá)作為一種孔底動(dòng)力鉆具，其作用原理是將空氣壓縮機(jī)提供的高壓空氣通過(guò)水便、鉆桿中心進(jìn)入孔底空氣螺桿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削破碎孔內(nèi)煤巖層。定向鉆進(jìn)時(shí)，整個(gè)鉆桿柱不旋轉(zhuǎn)，僅孔底螺桿鉆具帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，在給進(jìn)力作用下向前鉆進(jìn)延伸。

螺桿鉆具之所以用于定向鉆進(jìn)，主要基于兩個(gè)原因：一是空氣螺桿馬達(dá)的定向過(guò)程中，鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石，而整個(gè)鉆具不回轉(zhuǎn);二是空氣螺桿馬達(dá)下端設(shè)置彎外管，使螺桿鉆具彎曲，在鉆壓的作用下，將使鉆頭對(duì)孔壁四周產(chǎn)生不等的側(cè)向力，從而實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。

鉆孔軌跡控制主要通過(guò)改變孔底空氣螺桿馬達(dá)彎角的方向（即工具面向角）來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中隨鉆測(cè)量探管將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇卓诒O(jiān)視器內(nèi)進(jìn)行處理，形成鉆孔實(shí)鉆軌跡并顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆軌跡偏斜狀況，調(diào)整工具面向角以達(dá)到調(diào)整鉆孔軌跡或糾偏的目的，保證鉆孔軌跡沿預(yù)定方向延伸。

2 工程實(shí)施情況

2.1 鉆孔施工情況

定向順層鉆孔從2019年11月6日開(kāi)始施工，于2020年1月13日結(jié)束施工，鉆孔施工期間沒(méi)有出現(xiàn)噴孔、頂鉆等異常動(dòng)力現(xiàn)象。

0#孔，定向鉆進(jìn)至129m見(jiàn)頂板砂巖，進(jìn)尺到147m仍是砂巖;提鉆至99m開(kāi)2-1#分支，135m見(jiàn)頂板砂巖，持續(xù)施工至246m，仍是砂巖;提鉆至105m開(kāi)2-2#分支，持續(xù)施工至201m全煤，返渣量大，塌孔嚴(yán)重，終孔提鉆，沖煤量44.28t，下篩管195m。

左3#孔，施工至73m見(jiàn)底板，到119m進(jìn)入煤層，123m返風(fēng)量非常大，提鉆檢查馬達(dá)掉入孔內(nèi)，打撈失敗，沖煤量23.68t，下篩管116m。

右3#孔，施工至41m見(jiàn)底板，到63m進(jìn)入煤層，施工至127m見(jiàn)巖石，提鉆到孔深99米處開(kāi)分支，終孔171m，沖煤量25.7t，下篩管160m。

左1#孔，施工至133m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深209m，沖煤量39.64t，下篩管203m。

左2#孔，施工至180m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深210m，沖煤量41.48t，下篩管190m。

補(bǔ)左3#孔，施工至144m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深228m，沖煤量37.63t，下篩管224m。

右1#孔，施工至120m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深210m，沖煤量45.65t，下篩管201m。

右2#孔，施工至156m孔內(nèi)出大量煤粉，終孔孔深207m，沖煤量44.32t，下篩管202m。

補(bǔ)右3#孔，施工至70m見(jiàn)煤層底板，108m進(jìn)入煤層，終孔孔深210m，沖煤量23.68t，下篩管204m。

右4#孔，終孔孔深70m，沖煤量10.5t，下篩管70m。

右5#孔，終孔孔深42m，沖煤量6.1t，下篩管42m。

補(bǔ)左2#孔，終孔孔深126m，沖煤量27.63t，下篩管122m。

左4#孔，終孔孔深72m，沖煤量13.5t，下篩管72m。

左5#孔，終孔孔深40m，沖煤量6.1t，下篩管40m。

補(bǔ)右2#孔，終孔孔深218m，沖煤量90.28t，下篩管208m。

累計(jì)成孔15個(gè)，工程量2336m，下篩管2249m，累計(jì)排煤渣480.17噸，鉆孔等效直徑442mm。

2.2 抽采情況

瓦斯抽采計(jì)量從2019年11月11日第一個(gè)孔合茬開(kāi)始，截止2020年1月14日，0#孔累計(jì)抽采10074.1m3;左3#累計(jì)抽采5294.87m3;右3#累計(jì)抽采5273.32m3;左1#累計(jì)抽采4990.56m3;左2#累計(jì)抽采3442.97m3;補(bǔ)左3#累計(jì)抽采7524.39m3;右1#累計(jì)抽采4556.1m3;右2#累計(jì)抽采3114.12m3補(bǔ)右3#累計(jì)抽采3629.38m3。鉆孔施工期間，使用臨時(shí)防噴孔系統(tǒng)對(duì)鉆孔打鉆期間瓦斯進(jìn)行抽采，經(jīng)人工每日計(jì)量，累計(jì)抽采瓦斯11099.2m3。

3 應(yīng)用效果分析

定向順層鉆孔“以鉆代巷”、鉆護(hù)一體，為一鉆到位的瓦斯治理施工模式奠定基礎(chǔ)，節(jié)省了底板抽采巷施工，減少了瓦斯治理鉆孔工程量，僅在該實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)就節(jié)約瓦斯治理投入約600萬(wàn)元，煤巷能夠提前2～3個(gè)月施工，有效緩解了礦井生產(chǎn)接替緊張局面，實(shí)現(xiàn)了安全經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采。

（一）瓦斯治理工程量降低

原始穿層鉆孔每隔30m左右施工一個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)施工6個(gè)鉆場(chǎng)，巖巷工程量110m，每個(gè)鉆場(chǎng)穿層鉆孔工程量3500m，鉆孔工程量21000m;需安排一支掘進(jìn)隊(duì)伍做底抽巷和鉆場(chǎng)，同時(shí)為滿(mǎn)足抽采需要，還需至少鋪設(shè)兩趟8寸瓦斯管路，工程量380m;定向順層鉆孔的施工，只需要在巷道迎頭施工一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔一次施工到位，整個(gè)工作面鉆孔均能控制在抽采效果有效層位內(nèi)，大大提高鉆孔利用率，也減少了瓦斯治理投入，定向順層鉆孔的施工。

（二）瓦斯治理時(shí)間降低

原始穿層鉆孔必須在底抽巷施工鉆場(chǎng)后方可施工穿層鉆孔，往往出現(xiàn)鉆孔臺(tái)效低，鉆機(jī)搬家頻繁，就會(huì)影響采掘接替，留給瓦斯治理鉆孔施工少，同時(shí)穿層鉆孔施工的精度也較低（存在為趕施工進(jìn)度盲目加鉆機(jī)給進(jìn)壓力，影響鉆孔施工精度），繼而影響鉆孔抽采效果，瓦斯未做到抽干、抽盡，給工作面的安全、高效回采帶來(lái)隱患;定向順層鉆孔的施工，大大減少了瓦斯治理時(shí)間，定向鉆孔在一次施工到位，瓦斯治理與掘進(jìn)工作面生產(chǎn)的時(shí)空關(guān)系得到有效緩解，治災(zāi)時(shí)間提前2～3個(gè)月，大大提高了安全保障。

（三）安全風(fēng)險(xiǎn)降低

穿層鉆孔施工，穿層鉆場(chǎng)撥門(mén)次數(shù)多，巷道三岔門(mén)較多，存在撥門(mén)時(shí)加固不到位引起安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，鉆孔施工時(shí)鉆機(jī)頻繁的搬進(jìn)、搬出，斜巷運(yùn)輸起重吊拉安全風(fēng)險(xiǎn)大;定向鉆孔施工后，施工一個(gè)定向鉆場(chǎng)，鉆機(jī)只需要搬一次，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，為掘進(jìn)工作面安全掘進(jìn)夯實(shí)基礎(chǔ)。

（四）瓦斯抽采效果明顯提升

定向順層鉆孔施工結(jié)束永久合茬后共抽采瓦斯47140.5m3。鉆孔施工期間，使用臨時(shí)防噴孔系統(tǒng)對(duì)鉆孔打鉆期間瓦斯進(jìn)行抽采，經(jīng)人工每日計(jì)量，累計(jì)抽采瓦斯11099.2m3。

鉆孔單孔純流量0.22m3/min，抽采濃度100%，1個(gè)鉆孔的抽采純量和1個(gè)鉆場(chǎng)相當(dāng)。定向順層鉆孔施工期間超大排渣，累計(jì)排煤渣480.17噸，等效鉆孔直徑442mm。

鉆孔施工結(jié)束后立即進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，根據(jù)抽采量計(jì)算預(yù)抽區(qū)域煤層殘余瓦斯含量3.90m3/t，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量3.77m3/t，瓦斯治理達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了快速消突。

參考文獻(xiàn)

[1]參考文獻(xiàn)：

[2]俞啟香，礦井瓦斯防治[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990。

[3]張子敏，《瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)》 煤炭工業(yè)出版社 2008.03。

[4]張子敏，《瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測(cè)》煤炭工業(yè)出版社 2005.12。