煤礦瓦斯抽采中定向鉆機成孔技術的應用

李小健

（晉能控股集團有限公司晉城煤炭事業部宏圣公司，山西 晉城 048000）

引言

為順應社會經濟發展，我國每年會開采大量煤炭資源。煤礦在形成過程中不可避免地會產生很多瓦斯，因此在對煤礦進行開采時，瓦斯也會隨之涌出[1]。瓦斯具有很大的危險性，遇明火可能會發生爆炸，對礦井安全構成了嚴重威脅[2]。如何降低礦井中的瓦斯濃度是煤礦開采過程中必須重點關注的問題[3]。實踐過程中為保障礦井安全，煤礦開采時需要進行瓦斯抽采[4]。隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，當前定向鉆孔技術在瓦斯抽采中得到了非常廣泛的應用，與傳統的瓦斯抽采方法相比較而言，不僅效率更高且效果也更好，表現出了很大的優勢[5-6]。本文主要分析了煤礦瓦斯抽采中定向鉆機成孔技術的實踐應用，對于積累定向鉆機成孔技術，推廣其應用范圍具有重要的實踐意義。

1 定向鉆機及定向鉆進基本原理

1.1 定向鉆機概述

以ZDY6000LD型定向鉆機為例進行闡述，屬于履帶式定向鉆機，通過全液壓方式進行驅動控制。該型號定向鉆機工作時具有相對較低的轉速，但可以提供很大的工作扭矩，回轉時的最大工作扭矩和最大起拔力分別可以達到6 000 N·m和180 kN。配合使用復合片鉆頭時能夠得到直徑相對較大的成孔，設計的鉆孔深度可以達到1 km。在近水平長距離鉆孔瓦斯抽采中，比較適合使用該型號的定向鉆機。為了對鉆孔過程進行實時監測，ZDY6000LD型定向鉆機還配套使用了YHD2-1000(A)型監測系統（見圖1），可以對成孔軌跡參數進行實時監測并反饋，方便定向鉆機對成孔方向軌跡進行實時調整。監測系統中配備有監視器，可以對定向鉆孔技術參數以及成孔軌跡進行實時顯示。技術人員可以通過監視器實時掌握鉆孔進度和相關實際情況。另外，為了安裝監測系統的硬件設施，使用的是內徑為73 mm的中心通覽鉆桿，監測硬件設施可以在鉆桿中心位置進行安裝。

圖1 YHD2-1000(A)型監測系統示意圖

1.2 定向鉆進基本原理

圖2 定向鉆進的基本工作流程圖

如圖2所示為定向鉆進的基本工作流程圖。在煤礦瓦斯抽采中應用定向鉆機成孔技術時，首先需要根據實際情況對定向鉆進行設計，并準備好相關的機具。得到定向鉆機后還需要對螺桿馬達進行測試并安裝。上述工作準備好后就可以開始定向鉆進工作。鉆進時主要是利用高壓水對螺桿馬達進行驅動，進而帶動鉆頭旋轉達到鉆進的效果。整個鉆進過程需要對成孔進行實時測量，以確保鉆進軌跡與設計相吻合。如果發現鉆孔沒有偏離，則繼續鉆進直到完成鉆孔為止。鉆孔過程中如果發現成孔存在偏離現象，則需要立即對工具面向進行調整，使之回到正確的軌跡上來，保障成孔精度。對鉆孔進行設計時，需要充分考慮所在區域的地質情況和煤層具體情況等，給出明確的孔深、傾角和方位角等技術參數。

2 瓦斯抽采中定向鉆機成孔技術分析

2.1 鉆場與鉆孔的設計

某煤礦中的32215綜采工作面走向長度為1 123 m，在煤礦開采過程中瓦斯的絕對涌出量和相對涌出量最大值分別達到了60 m3/min和25 m3/t。如果只是利用普通的通風系統，很難將礦井內的瓦斯濃度控制在安全范圍內。如果利用普通的鉆孔技術手段進行瓦斯抽放，則效率較低，需要耗費大量的時間和物力，不利于煤礦開采效率的提升。

當前階段，定向鉆機成孔技術已經相對較為成熟，在很多煤礦中都得到了應用。為了對礦井中的瓦斯濃度進行有效控制，在綜合考慮煤礦實際的基礎上，現采用定向鉆機成孔技術進行瓦斯抽采。為了確保定向鉆孔的實踐應用效果，將整個工作面劃分成為兩段，分別設置1個鉆場。兩個鉆場可以分別進行施工，互不干擾，能夠在很大程度上提升鉆孔施工的效果和質量。其中，1號鉆場和2號鉆場分別布置在礦井中的運輸斜井和集中運輸巷中。如圖3所示為1號鉆場鉆孔軌跡示意圖。在1號鉆場中，根據瓦斯抽采半徑的實際需要，布置的主孔和分支孔數量分別為11個和8個，在2號鉆場中，同樣根據抽采半徑實際需要，確定的主孔和分支孔數量分別為11個和6個。每個定向鉆孔的深度均在400～700 m范圍內，相鄰鉆孔之間的間距設置在10～15 m。

2.2 定向鉆孔施工工藝過程

圖3 32215綜采工作面1號鉆場鉆孔軌跡示意圖

利用ZDY6000LD型定向鉆機進行定向鉆孔時，正式開始施工前，需要對鉆機進行加固處理。在此前提下整個鉆進工藝過程可以劃分成為5個步驟：第一，開孔。將直徑為96 mm的鉆頭連接在通纜鉆桿中，鉆進深度約為12 m。再利用直徑為152 mm的鉆頭進行擴孔，擴孔深度為6 m。利用直徑為133 mm的孔口管配合使用封口劑進行封孔處理。第二，測斜儀器的安裝。將無磁鉆桿和螺桿馬達進行連接安裝，正式下鉆前需要將泥漿泵進行連接，并且對螺桿、鉆具等進行仔細檢查。第三，彎外管彎角的調整。把彎外管方向設置到零點方向，利用專業工具檢測對應的工具面向角值，該數值就是后續調整的參考值。第四，正式鉆進。嚴格按照設計要求對成孔軌跡進行設置，鉆孔過程中需要將泥漿泵開啟，可以基于泥漿泵的實時壓力推斷孔底的實際情況，在此基礎上對鉆機的進給壓力進行調整，避免發生意外情況。整個定向鉆孔過程中都沒間隔50～100 m需要開展探底工作。第五，終孔起鉆。完成定向鉆進工作后，將鉆頭退出。

3 定向鉆機成孔技術的實踐應用效果分析

利用定向鉆機進行鉆孔時存在一定難度，克服了煤層地質不好等不良因素。為了分析定向鉆機成孔技術在煤礦瓦斯抽采中的實踐應用效果，根據設計要求完成定向鉆孔工作后，馬上進行瓦斯抽采工作。通過對數據的檢測與總結，相關結果如下：本次工程實踐中定向鉆孔深度雖然主要分布在400～700 m，但最大達到了1 020 m，且定向鉆孔的成孔率超過了80%。鉆孔穿煤率和鉆孔瓦斯體積分數分別達到了90%和53%～69%，每個定向鉆孔每分鐘可以抽采的瓦斯量在0.6～3.9 m3范圍內。定向鉆孔與傳統的鉆孔技術手段相比較而言，單孔的有效抽采半徑顯著提升。據相關統計數據表明，1個定向鉆孔取得的效果與20～30個傳統鉆孔取得的效果相當，可見定向鉆孔的有效工程量有了顯著提升，最重要的是瓦斯抽采效果更加顯著。另一方面，基于定向鉆機得到的成孔，其瓦斯抽采效果可以持續發揮12～18個月，個別鉆孔持續的時間更長。但普通鉆孔能夠持續進行瓦斯抽采的時間大約為3個月，主要原因是定向鉆機得到的鉆孔其瓦斯來源更加廣泛，使得煤礦瓦斯抽放時間得到有效延長。基于以上分析可以看出，定向鉆機成孔技術在煤礦瓦斯抽采中的實踐應用取得了很好的效果，可以對煤礦中的瓦斯濃度進行有效控制，為煤礦安全開采奠定堅實的基礎，定向鉆機成孔技術值得進一步推廣使用。

4 結語

瓦斯濃度是煤礦開采中必須嚴格控制的參數，為盡可能降低煤礦中的瓦斯濃度，傳統的方法主要有兩點，一是利用通風系統，二是通過鉆孔進行瓦斯抽采。但傳統的鉆孔瓦斯抽采效果不盡如人意，無法滿足煤礦高效生產的需要。隨著煤礦技術水平的不斷提升，當前定向鉆機成孔技術表現出了很大的優勢，在很多煤礦中得到了應用，并取得了很好的應用效果。本文的最終研究結果表明，定向鉆機成孔技術可以顯著提升煤礦瓦斯抽采的效果，使得礦井瓦斯濃度顯著降低。