VLD型定向鉆機(jī)在沙曲礦瓦斯抽采中的應(yīng)用

摘要：多年的現(xiàn)場實(shí)踐表明，瓦斯抽采是災(zāi)害治理和資源利用的根本性措施之一。沙曲礦自2005年開始引進(jìn)VLD-1000型定向鉆機(jī)，在突出煤層中實(shí)施區(qū)域預(yù)抽及掘進(jìn)預(yù)抽，取得了顯著成效。實(shí)踐表明，定向鉆機(jī)對于消除煤層突出危險(xiǎn)性，提高瓦斯抽采量及抽采效率，確保礦井安全高效開采起到了關(guān)鍵作用，該項(xiàng)技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：定向鉆進(jìn) VLD-1000型鉆機(jī) 瓦斯抽采

沙曲礦為高瓦斯及具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井，隸屬于山西焦煤集團(tuán)華晉焦煤有限責(zé)任公司，位于呂梁山脈中段西部，河?xùn)|煤田中部，行政區(qū)劃屬山西省呂梁市柳林縣管轄。為加大瓦斯治理力度，沙曲礦于2005年引進(jìn)澳大利亞VLD-1000型定向鉆機(jī)，開展了長期的本煤層長鉆孔預(yù)抽瓦斯試驗(yàn)研究。

1 VLD-1000型鉆機(jī)的主要特點(diǎn)

1.1 電-液驅(qū)動(dòng)的操作功能

鉆機(jī)通過90kW電機(jī)（電壓：1140/660V，頻率：50Hz）驅(qū)動(dòng)3臺(tái)液壓泵（主泵、高壓泵、輔助泵）實(shí)現(xiàn)各自的功能，最小推力（拉力）為150 kN。

鉆機(jī)在壓力為30MPa時(shí)力矩最大，低速旋轉(zhuǎn)時(shí)為3048Nm，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)為2286Nm，其旋轉(zhuǎn)速度可在200~600r/min（低速大力矩）與250~1200r/min（高速小力矩）之間進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。

1.2 采用孔底馬達(dá)鉆進(jìn)的鉆進(jìn)能力

鉆機(jī)采用孔底馬達(dá)鉆進(jìn)，無需鉆桿旋轉(zhuǎn)?？椎遵R達(dá)靠高壓水（煤層施鉆壓力為2~2.8MPa，巖石施鉆壓力為3.5~4.1MPa）驅(qū)動(dòng)，鉆進(jìn)速度為0~5m/min，回收鉆桿時(shí)速度為0~20m/min。

采用孔底馬達(dá)鉆進(jìn)，減少了鉆桿與孔壁的摩擦阻力，因而，該鉆機(jī)在較小動(dòng)力損失的情況下具有超過1000m的鉆進(jìn)能力。目前，沙曲礦瓦斯抽采鉆孔施工長度大多在500m左右。

1.3 定向功能

定向功能可繞過已探明的地質(zhì)構(gòu)造，確保成孔質(zhì)量。孔底馬達(dá)彎頭偏角為1.3°，每施工一根鉆桿傾斜1.3°，理論上施工100m鉆孔最大偏移角度為43°。在沙曲礦實(shí)際施工中，100m最大偏移角度為20°，軌跡呈弧形，如圖1所示。

1.4 鉆進(jìn)檢測導(dǎo)線連接單元

鉆機(jī)裝備有先進(jìn)的定向鉆進(jìn)檢測系統(tǒng)，由孔底測量單元、孔外計(jì)算機(jī)、專用鉆桿及安裝于鉆桿中間的永久測量連接導(dǎo)線組成，測量過程約5s，測量精度為垂直角偏差±0.2°，水平角偏差±0.5°。①孔底測量單元：長2650mm，外徑70mm，質(zhì)量52 kg，通過非磁性銅鈹短鉆桿與普通定向鉆桿連接。②孔外計(jì)算機(jī)：每3m測量一次，根據(jù)測試所得的方位角、彎頭方向、下行軌跡、左/右偏差、上/下偏差、時(shí)間及日期、仰角/俯角、孔深等孔內(nèi)參數(shù)，自動(dòng)繪制鉆機(jī)運(yùn)行軌跡在水平及垂直平面上的投影圖；鉆機(jī)司機(jī)可根據(jù)偏差情況及時(shí)調(diào)整彎接頭方向，以期使鉆進(jìn)軌跡最大限度的符合設(shè)計(jì)要求?？淄庥?jì)算機(jī)可存儲(chǔ)615組測量數(shù)據(jù)，利用紅外線U盤將數(shù)據(jù)提取帶至地面，以Excel電子表格形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。③專用測量鉆桿：為N系列鉆桿，帶有φ96mm的金剛石復(fù)合片鉆頭。鉆桿外徑為70mm，內(nèi)徑為61mm，長度為3000mm，質(zhì)量為25.9kg，鉆桿中心安裝有永久電纜。

2 定向鉆機(jī)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

2.1 鉆機(jī)在區(qū)域預(yù)抽中的應(yīng)用

沙曲礦4號煤層為煤與瓦斯突出煤層，煤層厚度為2.3~4.3m，平均瓦斯含量為10.89m3/t，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.02082~0.04356d-1，煤層透氣性系數(shù)為1.3146~2.9962m2/（MPa2·d），屬于可以抽采煤層。

為防止煤與瓦斯突出以及瓦斯超限等問題，在24207回風(fēng)巷布置鉆場，利用VLD1000型定向鉆機(jī)向24208采煤工作面施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔，如圖2所示。鉆場每隔100m布置一組，每組鉆場施工5~10個(gè)鉆孔，可貫穿24208采煤工作面的可采長度，從而消除目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的抽采空白帶（鉆場之間的三角形空白區(qū)域采用小型鉆機(jī)施工短鉆孔來彌補(bǔ)）。

自2009年10月開始施工1#區(qū)域第一個(gè)鉆場，目前已施工完成6個(gè)鉆場、47個(gè)鉆孔，覆蓋區(qū)域達(dá)2.48×105m2，解放煤量1.07Mt。平均瓦斯抽采速度為12.2m3/min，截至2010年10月，共抽采瓦斯6.85×106m3（純量）。按照4號煤層平均瓦斯含量10.89m3/t計(jì)算，已抽采該區(qū)域43.38%的瓦斯，煤層瓦斯已得到充分釋放。

2.2 鉆機(jī)在掘進(jìn)預(yù)抽中的應(yīng)用

沙曲礦14203軌道巷掘進(jìn)工作面斷面為4×2.5m，共施工3個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)長度為400m。預(yù)抽時(shí)間為67天，1、2、3#鉆孔瓦斯純量分別為49664、51683、55381m3，累計(jì)抽采瓦斯純量達(dá)156728m3，單孔平均抽采純量為52243m3，平均純瓦斯量為0.6m3/min。3個(gè)鉆孔節(jié)流為2~5mmH2O，負(fù)壓為30~50mmHg，濃度為50~90%，充分體現(xiàn)了預(yù)抽鉆孔低節(jié)流、高負(fù)壓、高濃度的特點(diǎn)。

掘進(jìn)預(yù)抽結(jié)束后，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)巷道，月進(jìn)尺達(dá)390m。在掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格進(jìn)行預(yù)抽效果檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)突出危險(xiǎn)，瓦斯涌出數(shù)據(jù)見表1。

以掘進(jìn)進(jìn)度為橫坐標(biāo)，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出量為縱坐標(biāo)繪圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，到第一階段掘進(jìn)結(jié)束，瓦斯?jié)舛染?.8%以下，從未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。需要說明的是，14203軌道巷右側(cè)為14202工作面采空區(qū)，一部分瓦斯已提前釋放，這也是瓦斯?jié)舛容^低的影響因素之一。

現(xiàn)場實(shí)踐表明，通過大孔徑、長鉆孔、長時(shí)間預(yù)抽后，掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)了在消除突出危險(xiǎn)和低瓦斯?fàn)顟B(tài)下的連續(xù)掘進(jìn)，為以后實(shí)現(xiàn)無突出、低瓦斯?fàn)顟B(tài)下遠(yuǎn)距離掘進(jìn)、提高掘進(jìn)進(jìn)尺，奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

VLD-1000型定向鉆機(jī)在沙曲礦區(qū)域預(yù)抽及掘進(jìn)預(yù)抽中的成功應(yīng)用，對于消除煤層突出危險(xiǎn)性，提高瓦斯抽采量及抽采效率，確保礦井安全高效開采起到了關(guān)鍵作用。定向鉆進(jìn)技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景，但其前提是，必須及時(shí)提高鉆機(jī)操作人員的技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

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