深孔定向鉆機在瓦斯抽采方面的應用

＊吳興云

（汾西礦業集團雙柳煤礦 山西 033300）

礦井開采過程中，瓦斯作為一種常見危險因素，必須通過有效措施進行抽采。深孔定向鉆機是近幾年出現的一種新型瓦斯抽采設備，它的應用能有效增加抽采量，提高抽采效率，簡化抽采程序。

1.瓦斯抽采方法

瓦斯抽采對礦井安全生產而言至關重要，在最初的建礦過程中就需要增加相應的投資，使瓦斯抽采達到預期的效果。截止目前，某煤礦已經引進了現今世界范圍內最為先進的深孔定向鉆機以及鉆進實時監控系統，型號分別為VLD-1000和DDM-MECCA，對目標每層進行大面積預抽采，抽采時鉆孔深度最大可達1000m。目前，累計鉆孔數量達到1980個，共抽采了近9×108m3的瓦斯，純瓦斯總量可以達到4.67×108m3，抽采率超過80%，從本質上解決了瓦斯管理方面的問題，為礦井生產提供了可靠的安全保障。

根據某煤礦通過對瓦斯來源的調查與分析可知，該礦井瓦斯來源為3#煤層。結合以往的瓦斯抽采工作經驗，因對瓦斯進行預抽排放可能會使煤體產生一定程度的收縮變形，如果煤體所占空間體積保持不變，則煤體一旦發生收縮變形不僅會使裂隙增大，而且還有可能引起新裂隙，導致煤層透氣性顯著增加。可見，通過長期預抽能得到良好效果[1]。

針對采空區，可采用高位穿層鉆孔的方法進行瓦斯抽采，根據當前國內外先進做法，并充分考慮鉆機自身特點，可以在回風巷借助定向鉆進技術從目標煤層頂部開始向工作面的后方沿頂板走向設置鉆孔，直到采空區上部存在的裂隙帶處，以此實現瓦斯抽采。

為滿足采掘安全要求，根據礦井采掘相關計劃，將抽采的時間確定為兩年。在對工作面進行瓦斯預抽的過程中，孔口的負壓應控制在20-40kPa范圍內，而對于采空區的頂板，其孔口處的負壓需按照5kPa控制。在鉆孔過程中，開孔與擴孔的直徑均按照150mm控制，封孔使用孔徑為108mm的PVC管與聚氨酯，為保證封孔效果，封孔的長度應達到6m。

在實際的抽采過程中，需要對抽采復壓、瓦斯濃度及實際抽放量予以實時監測，同時以監測結果為依據適當調整鉆孔的實際抽采狀態，確保處在最佳的抽采狀態。

2.基于深孔定向鉆機的瓦斯抽采鉆孔

在產煤國中，深孔定向鉆機正成為一種技術先進且應用成熟的定向鉆進方式，在瓦斯抽采與地質探測等工作中得到越來越廣泛的應用，這項技術的核心部位為孔內馬達驅動及與之相匹配的測量技術。高壓水經鉆桿進入到孔內馬達，驅動馬達轉子發生轉動，在前端軸承的帶動作用下使鉆頭開始旋轉，以此達到破煤的效果，鉆進時，鉆桿不發生轉動，僅鉆頭進行旋轉，這樣能大幅減小鉆機負載。對于孔內馬達，彎接頭作為關鍵部件，與鉆桿之間保持一定夾角，在彎接頭支持下，鉆進軌跡將不再像傳統鉆機那樣是一個帶有一定拋物形狀的直線，而是能形成一條向彎接頭方向彎曲的空間曲線。不同規格的接頭，其鉆孔曲率半徑不同。另外，在需要的位置采用彎接頭還能進行分支孔的鉆進。

與鉆機匹配的測量系統用于確保鉆機完全按照預設軌跡完成，鉆孔中需嚴格控制的測量參數包括彎接頭的方向、方位角與側角，以實測孔內參數為依據，采用三角函數可通過計算確定任何一個測點對應的坐標，再根據這些坐標能描述鉆進軌跡在水平與垂直兩個平面的投影，同時通過對與設計軌跡之間的對比確定偏差情況，據此對彎接頭的實際方向進行適當調整，確保實際的鉆進軌跡與設計要求完全相符。

該鉆機配套使用的孔內測量系統是由AMT公司研制的DDM-MECCA，即模塊化電子定向鉆進監視器，該系統具備的遠程通訊功能可以在5s之內對各項測量數據進行準確測量，并能自動通過計算得出測點坐標（傾角測量結果的精確度可達±0.1°，方位角測量結果的精確度可達±0.5°）。該系統不僅能為鉆孔控制提供準確的測量數據，還能減小測量工作可能對打鉆造成的影響。目前，這項技術已經被亞洲、澳洲和北美作為一項標準。

(1)鉆孔設計

鉆進開始前，應安排專人以布孔要求為依據，廣泛收集各項參考資料，包括地質條件、現有測量數據等，然后根據這些資料確定鉆孔設計參數，如水平與垂直投影等，同時做好任務交接，確保施工人員正確領會本次施工意圖，為之后鉆孔施工的順利完成奠定良好基礎。

(2)開孔

先用150mm擴孔器進行擴孔，擴孔的長度應達到6m，將擴孔器退出以后，根據要求使用水泥或者是聚氨酯進行封孔，再將孔內馬達下放至孔中，并連接好鉆桿，在孔口處設置安全裝置，如氣水分離器與防噴孔器等，最后方可按照孔外儀具體提示執行開孔操作[2]。

(3)鉆進

基于深孔定向鉆機的鉆進施工與傳統鉆機所用操作程序基本相同，首先將開啟水泵，在鉆孔中有水返出，并確認返渣保持正常后，即可開始加壓鉆進，唯一不同的就是要按照6m的間隔距離進行測量，在設計圖中畫出鉆孔在水平與垂直兩個方向上的投影坐標，同時要和設計軌跡比對，以兩者的偏移情況為依據對彎頭的具體方向進行適當調整[3]。

考慮到礦井地質資料無法完全準確的反映出煤層具體起伏變化，故在鉆進施工中，應按照一定間隔距離對彎頭的實際方向進行調整，使其沿垂直方向向上，這樣能快速鉆進到頂板處，并確定頂板位置層位標高，再后退至適當的位置開出一條分支繼續進行鉆進，以此反復若干次后，將兩個探頂點連線的延長線作為在進行下一段鉆進施工時的依據，以此確保鉆孔施工始終在煤層當中進行。

(4)退鉆探底

因該礦井的3#煤下層存在夾矸層，而該層下部分布有厚度在0.5-1.0m范圍內的軟煤，這一區域的瓦斯含量很高，為了對這一區域進行瓦斯抽采，需要在鉆孔到達設計要求的深度準備退鉆時，需按照50m的距離間隔實施探底，其目的在于確保鉆孔從夾矸層當中穿過，為夾矸層下部軟煤提供一個良好的抽采通道，并且還能探測確定煤層的實際厚度，最終為該礦井相關地質資料的補充奠定良好基礎[4]。

(5)完孔參數

鉆進完成后，將DDM-MECCA系統采集到的測量數據及時傳輸到計算機中，由計算機進行自動處理，直到形成完孔垂直和水平面軌跡，為之后各項工作順利開展提供參考依據。

(6)氣、水和煤屑分離

采用深孔定向鉆機進行鉆進時，為了能對鉆場范圍內瓦斯濃度進行有效控制，并做好對煤屑進行分離，在保證鉆進安全性的同時實現對煤渣的分選，需要以鉆機設計為基礎，對氣、水和煤屑進行的分離做深入優化。通過對分離裝置的適當改良，能發揮出良好分離作用，取得理想的效果。首先，借助封孔器與分離器對鉆孔中存在的瓦斯實施連續抽采，以此防止瓦斯噴孔，使鉆場范圍內瓦斯濃度處在允許范圍之內；其次，在二次分離器有效作用下，能使廢水與煤屑實現有效分離，為鉆場管理創造便利，實現標準化管理；最后，采用在匯流管上設置的備抽管，能有效加快完孔階段接抽速度，并能在鉆孔時由于孔內異常導致瓦斯量急劇增大時使瓦斯進入到抽采管路當中，從而防止安全事故發生[5]。

(7)鉆孔施工注意事項

采用深孔定向鉆機進行鉆孔施工時，應注意以下幾個方面要點：

①考慮到鉆進工藝比較特殊，故現場施工人員應提前在腦海中形成鉆孔模型，以此為之后對彎頭方向進行的調整提供參考[6]。

②鉆進時必須做好各項測量數據結果的記錄，同時要對鉆進時遇到的各種情況進行詳細記載，需記載的內容包括水壓力、推進與提升壓力、水量、彎頭的實際改變情況等，為鉆進事故發生后相關措施的制定提供可靠依據。

③為了能在鉆進時實現有效控制，現場操作人員應嚴格按照一定距離間隔留設適宜的分支點。

④因煤層產狀和地質構造都比較復雜，所以在鉆進過程中可能發生設備抱鉆等情況，對此，主孔和分支孔之間應有適當的間隔距離，這樣能防止主孔和分支孔產生相互干擾，進而影響到水力壓裂。除此之外，鉆進時應防止由于產生急彎導致鉆孔阻力陡增，并且急彎還會對鉆孔時的打撈工作造成很大的影響。

⑤在有目的性和針對性的做好地質構造探測工作基礎上，應盡量避免在地質構造處進行鉆孔的布置，同時在設計和打鉆的過程中應充分考慮鉆進和打撈之間的關系。

⑥退鉆時，應按照30-50cm的間隔距離實施洗孔，這樣能在保證退鉆順利完成的基礎上使抽采通道始終保持暢通，進而達到預期的瓦斯抽采效果。

⑦考慮到抱鉆、卡鉆和掉鉆等現象在鉆孔施工中在所難免，所以通過對歷次打撈相關經驗的總結，首先要配備專用工具，其次要通過對相關鉆進參數的深入分析，編制詳細且可行的打撈方案。該方案必須綜合考慮所有可能產生的情況，并應在方案實施中對打撈程序進行適當調整。此外，現場操作人員應有豐富的操作經驗與判斷力。

3.結語

綜上所述，深孔定向鉆機在實際工作中的成功使用，對于增加礦井瓦斯抽采數量與提高抽采效率有重要作用。對于絕大多數礦井而言，需要在積極引進投資的基礎上，引入先進的抽采技術和管理理念。根據深孔定向鉆機實際應用效果可知，深孔定向鉆機具備顯著技術優勢，而且有著良好的應用與推廣前景，能為礦井生產中瓦斯災害的防治工作提供有效技術途徑。