定向長鉆孔施工消除工作面瓦斯抽采空白帶的技術研究

司 飛

（晉能控股集團寺河煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

S3102 工作面切眼347 m，在進行作業的過程中，抽采瓦斯需要考慮到的問題是可能會遇到空白帶。分析得出以下兩種情況，第一種是由于在工作過程中鉆孔的孔長不能滿足要求。過去使用的鉆機是履帶式的設備，在工作面作業時預期能夠達到的深度為170 m左右，實際情況下只有150 m 左右，遠不能達到主運順槽和回風順槽作業時在S3102 工作面實現之間相交。第二種情況是鉆孔與預期的路線相偏離、作業過程受到外界的壓力導致鉆桿受力不均勻、煤層出現的縫隙不均勻分布等現象，與期望的軌跡差距大，無法將抽煤位置全部覆蓋，導致內部出現空白帶。

采取的措施是通過定向鉆機進行對預定位置的作業，這樣能夠明顯解決以上遇到的問題。通過定向鉆機作業，可以有效解決遇到的空白帶的現象，從而能夠使鉆孔路線進行人為控制且所產生的成本不高等優勢。

1 S3102 工作面概況

通過對晉能控股煤業公司中的某個高瓦斯礦井進行研究分析調查，得到以下相關的數據，該礦井主要開采3 號煤層，其中對煤層的瓦斯計量為8.51 m3/t。S3102 工作面的回風順槽長和主運順槽長分別為1 583 m 和1 527.1 m，回采斜距和回采平斜分別為1 258.7m 和1 285 m，其中計量出回采斜面積的相關值為4.46 萬m2。整體來看S3102 的工作面可以發現，該工作面通過傳統的綜合機械化作業，采用一次采全高全部跨落式進行。如圖1 所示為S3102 工作面平面圖。

圖1 S3102 工作面平面圖

一般情況下，使用的方式為“U”和高抽巷方式相結合，也就是所謂的“一進一回”的形式，進風位置為S3102 主運順槽，回風的位置為S3102 回風順槽，并且結合設有相應的S3102 高抽巷。最初的瓦斯含量8.4 m3/t，最大可吸 4.487 3 m3/t。

2 順層鉆孔空白帶存在原因

2.1 鉆孔深度不足

對S3102 工作面進行相關參數記錄得知，回風順槽和主運順槽相關值為1 583 m 和1 527.1 m，測量過程中得知切眼斜距為347.2 m，通過順層作業的方式來進行對瓦斯的抽取，應該要保證孔深不能低于173.6 m，且需要保證主運順槽孔嚴格保證20 m 的壓茬，孔深應該至少保證183.6 m。在過去進行作業時，采用的是ZDY6500 履帶式鉆機設備，該設備在進行鉆孔時能夠至少保證170 m 的孔深，然而在進行實際操作時，調查發現孔深只有150 m 左右。研究表明受到周邊環境的影響，導致不能夠對空白帶的覆蓋和鉆進值減小[1]。

2.2 鉆孔軌跡偏離

然而過去采用的全液壓坑道鉆機設備也是有缺陷的，由于轉配的鉆頭和鉆桿在作業的過程中受到周圍環境的影響，容易導致不能按照預定的軌跡進行。這種情況將對造成工作面存在沒有被覆蓋的空白帶，直接導致工作效率低下。

3 定向長鉆孔施工

進行鉆孔作業的裝備有通纜鉆桿、孔底馬達、定向鉆機和定向鉆頭等，現對在作業過程中的主要工作設備進行說明，如下頁圖2 所示。

圖2 定向鉆機施工工藝示意圖

1）在進行定向鉆孔過程，通常采用的設備是VLD-1000-T，該設備的相關性能是能夠實現在低速的情況下產生較大的轉矩，符合深孔鉆進的條件。鉆機的相關參數：尺寸為3 870 mm×2150 mm×1 720 mm，功率為90 kW。其工作原理是通過高壓水驅動實現鉆頭作業，接著將產生高壓的水流將工作后的殘留物進行沖洗，該設備在工作過程中鉆桿不轉，通過鉆孔的末端馬達后部裝有的探管來進行實時監測，完成對鉆孔的路線記錄，能夠便于工作人員及時對鉆孔軌跡了解。對鉆孔設計相關要求的了解，通過馬達來進行數值的調整和更改，從而實現鉆機在預期的軌道進行。

2）孔底參數測量選用DGS 系統，該系統是由通纜鉆桿、測量探管等構成，其可以進行的任務是能夠對相關數據進行測量和記錄，在儀表上顯示和儲存，該測量系統能夠達到的精度為方位±1.5°，傾角±0.2°。通過該系統的使用能夠達到定向深度鉆孔的任務，且能夠隨時對鉆孔工作的狀態進行監測，從而符合在預定軌跡上進行鉆孔。

3）該設備中采用Φ73 mm 的鉆桿，且長為3 m；選用的鉆頭類型有 Φ240 m、Φ240 m、Φ190 m 這三種，主要的作用是進行開孔，用于鉆進的鉆頭通常選用Φ96 mm；為了能夠在工作的過程中滿足滿眼鉆進的要求，可以在鉆頭的后方安裝穩定器。

4）孔底馬達作為一種動力組件，可以通過鉆機工作中的沖洗環節，將液壓能轉化為機械能，確保鉆頭面對堅硬的巖石有很強的沖擊性，孔底馬達能夠實現大扭矩高轉速的性能，其中馬達的參數為Φ73 mm[2]。

4 現場實施效果分析

4.1 定向長鉆孔竣工圖

3 個長鉆孔分布在S3102 主運輸槽，進行11 個長鉆孔工作，如圖3 所示為作業后的圖況。

圖3 S3102 工作面定向鉆孔施工竣工圖

4.2 定向長鉆孔抽采數據

如表1 所示，為長鉆孔相關數據。

表1 S3102 工作面定向長鉆孔單孔抽采數據

4.3 效果分析

從圖4 中可以明顯看出配風量為3 300～3 600 m3/min 范圍內的瓦斯濃度的相關變化。

圖4 S3102 工作面回采期間回風流瓦斯濃度變化

1）從圖4 中可知，回采距離為0～215 m 之間時，在配風量到達3 300 m3/min，僅僅是順層鉆孔抽采，且可以看出瓦斯的密度大，在0.83%左右，最高能夠達到1.01%。

2）當回采距離在215 m 和546 m 之間時，配風量到達3 400 m3/min，可以看出工作面能夠到達3 號鉆場進行覆蓋，這時瓦斯的密度開始發生改變，逐漸下降，為0.46%左右，最高可以達到0.99%。

3）當回采距離的值處在546 m 和734 m 之間，配風量為3 500 m3/min，這時會出現風量增加，會導致在546 m 和720 m 之間瓦斯的密度逐漸減小，而在720 m 和734 m 之間，瓦斯的密度呈相反趨勢開始增加。總體瓦斯的濃度在0.28%上下波動，最高值能夠達到0.52%。通過分析研究得出是由于2 號鉆場和3 號鉆場無壓茬，導致出現空白帶，從而導致在進行回采的過程中出現瓦斯濃度增加。

4）當回采距離在734 m 和1 050 m 之間，配風量達到3 500 m3/min，會出現工作面到達2 號鉆場中鉆孔范圍，此時瓦斯密度在0.34%上下波動，最高濃度為0.59%。

5）當回采距離在 1 050 m 和1 180 m 之間，配風量達到3 600 m3/min，此時到達1 號鉆場的孔范圍，此時瓦斯密度在0.45%上下波動，最高濃度為0.58%。

4.4 成本核算

S3102 的回風順槽長和主運順槽長分別為1 583 m 和1 527.1 m，通過對停采線進行相關分析可知，當回采距離達到1 286 m 時應該采用順層鉆孔進行，大概需要分別進行514 個孔位。測量過程中得知切眼斜距為347.2 m，通過順層作業的方式來進行對瓦斯的抽取，應該要保證孔深不能低于173.6 m，且需要保證主運順槽孔嚴格保證20 m 的壓茬，孔深應該至少保證183.6 m。然而根據實際情況來看，需要在平均值150 m 的條件下還應該延長43.6 m。因此通過使用順層鉆孔來解決空白帶的問題需要進行的作業長度為514×43.6×2=44 820.8 m，若依據 50 元 /m 的鉆孔所耗費的成本來進行算，則需要C1=44 820.8×50=224.1萬元。

通過使用定向長鉆孔，能夠達到的工作深度為500 m，依據回風順槽1 583 m 算，則應該采用3 個鉆場，若將鉆場成本按照一個為8 萬元來進行，則應該需要24 萬元的綜合成本。確保鉆孔到達的預期范圍，需要對鉆孔進行的鉆場使用定向長鉆工作，這樣的好處是能夠有力地解決空白帶問題，需到達的深度為500×3×3=4 500 m，若按照300 元/m 的成本來考慮，則需要花費C2=4 500×300+24=159 萬元。

通過以上的分析可以看出C1＞C2，因此，應該采用定向長鉆孔是比較適合解決空白帶問題。

5 結語

1）該礦使用的鉆機型號為VLD-1000-T，通過對工作面進行定向鉆孔，能夠解決對空白帶出現的問題。

2）當工作面回采到能夠覆蓋的距離時，此時瓦斯濃度不會高于0.8%，從而能夠確保快速高效地進行作業。

3）在相對的情況下，分析得到定向長鉆孔所耗費的成本較低，所以應該使用該鉆孔技術來進行作業。