中長距離定向鉆進技術在鄰近煤層瓦斯治理中的應用

彭 勇

（1.河南理工大學土木工程學院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳聯合礦業技術發展有限公司，北京市朝陽區，100013）

中長距離定向鉆進技術在鄰近煤層瓦斯治理中的應用

彭 勇1，2

（1.河南理工大學土木工程學院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳聯合礦業技術發展有限公司，北京市朝陽區，100013）

針對神華集團烏達五虎山礦業有限責任公司瓦斯高且其主采9#、10#煤層層間距近的問題，提出利用9#煤層巷道設置鉆場，同時對兩個煤層進行預抽。采用定向鉆進技術實現自上而下、覆蓋兩層煤的精準鉆進，可以實現抽采達標；針對910采區東側邊界斷層處煤層變薄，遇到背斜構造，需要準確設計910運輸巷位置的問題，提出以精準定向鉆進勘測斷層地質構造情況，得出定向鉆進不僅可解決瓦斯問題，還可進行地質勘查，避免巷道開拓失誤，造成經濟損失。

定向鉆進 鄰近煤層 瓦斯治理 地質勘查

1　煤礦概述

神華集團烏達五虎山礦業有限責任公司（以下簡稱五虎山煤礦）位于內蒙古自治區烏達煤田南翼，核定生產能力為1.8 Mt/a。目前開采9#、10#和12#煤層，采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。該礦為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為41.64 m3/min，相對瓦斯涌出量為17.91 m3/t。

五虎山煤礦9#煤層平均厚度3.1 m，煤層瓦斯含量為7.81 m3/t，煤層視密度1.32 t/m3；10#煤層平均厚度為2.1 m，煤層瓦斯含量為6.73 m3/t，煤層視密度1.37 t/m3。

從礦井實際開采情況看，中盤區9#煤層瓦斯含量較高，涌出量較大，局部地段有瓦斯異常帶及瓦斯包存在；9#、10#煤層層間距為1～3 m，因此10#煤層瓦斯涌出到9#煤層的量也比較大。該區域9#煤層傾角為3°～9°，煤層頂、底板都為頁巖。

該礦10#煤層尚未開發，沒有掘進巷道，為安全開采中盤區9#煤層，需利用9#煤層的巷道布置鉆場對10#煤層進行預抽。該礦東側邊界是一個逆掩大斷層，在采區運輸下山掘進到910條帶位置時，煤層變薄，且形成背斜構造，無法確定運輸巷的布置。910工作面上部的906工作面運輸巷在2009年掘進期間因瓦斯超限事故而停工，對礦方采掘計劃的執行以及采掘接續造成了嚴重制約。

對10#煤層進行預抽如果采用常規螺旋鉆桿鉆機，無法實現下傾向拐彎鉆進；采用國內定向鉆機，下傾向定向效果不好；采用普通定向鉆機，向大斷層方向鉆進，地質構造復雜，卡掉鉆危險大。

澳大利亞定向VLD-1000系列鉆機采用DGS導向系統和DHM水力驅動馬達系統，利用高壓水驅動鉆頭，僅鉆進系統轉動，鉆桿不動，有效解決了鉆進阻力大、方向偏斜問題；以彎頭鉆頭、孔底馬達（Down Hole Motor，簡稱DHM）和定向導向系統（Directional Guide System，簡稱DGS）為組合的定向鉆進系統彌補了螺桿旋轉鉆機無法實現長距離精準鉆進的缺陷；定向精度達到千米靶心半徑在1 m。綜合以上優點，五虎山煤礦決定采用定向VLD-1000系列履帶式鉆機。

2　鉆孔設計與施工

為解決10#煤層運輸巷地質勘查和9#煤層、10#煤層預抽兩個目的，在9#煤層南翼軌道延伸巷道布置910鉆場，設計11條長鉆孔，分別往9#煤層和10#煤層鉆進。鉆孔均勻布置在鉆場內，鉆孔間距平均26 m；根據推測煤層傾角，按設計開孔方位和設計鉆機開孔傾角定位鉆機后，使用專用的液壓支柱縱向固定鉆機，使用拉力為1.5 t以上的機械式緊線器橫向固定鉆機；使用大直徑鉆頭開孔，煤層中開孔深度一般為6～12 m，開孔后使用直徑100 mm專用封孔管和專用水泥注漿封孔，封孔結束后4 h安裝孔口設施、孔底馬達、DGS鉆桿、銅鉆桿，校正彎頭方向；使用96 mm三牙輪鉆頭進行巖石鉆進，從孔口開始一般每鉆進6 m測量一次孔底參數，特殊情況下每鉆進3 m進行一次參數測量；鉆孔揭煤后洗孔，待返水穩定后退出鉆桿，更換成96 mm PCD鉆頭按設計方位及傾角進行鉆進，一般每鉆進6 m進行一次孔底參數測量，特殊情況下每鉆進3 m進行一次參數測量；由于缺乏詳細的煤層資料，為保證鉆進順利，在鉆進中每75～100 m間距探測煤層頂板一次，以確定煤層狀況并指導鉆進，探頂結束后退鉆桿至預留的分支點，繼續主孔鉆進；完孔后安裝孔板流量裝置并將鉆孔并入礦井抽放系統聯網抽放，接抽后第一個月內每周5次對鉆孔瓦斯流量等參數進行測量，從第二個月開始每周至少2次對鉆孔瓦斯流量進行測量，直到項目結束，測量結果形成瓦斯抽采日報表及瓦斯月報表，然后對瓦斯抽采效果進行分析，并對后續鉆孔設計密度進行修正。9#煤層鉆孔長度按900～950 m考慮，10#煤層鉆孔長度按500～600 m考慮。

表1　910鉆場實際完成鉆進工程量表

五虎山煤礦煤層平均厚度較小，而抽采鉆孔均設計在煤層內，為精確定位煤層頂底板，當鉆孔遇巖后要退回一定距離開分支鉆進，同時，鉆進過程要間隔最多100 m對煤層探頂一次，目的同樣是為了精確定位煤層。這樣在鉆進中就要形成一定定向分支孔工程量，定向分支孔增加了主要鉆孔的有效長度，此設計中定向分支孔率取25%。

為確定910條帶區域9#煤層的厚度，8號鉆孔鉆進至909 m后，退鉆桿過程中每間隔100 m左右開分支探底一次，累計探底9次，并沿煤層向東打4個側分支，側分支也進行了探頂探底，探底分支與側分支共計735 m，計入定向分支孔工程量。7、8號鉆孔施工完成，決定從8號鉆孔開分支施工9號鉆孔，9號鉆孔終孔深909 m，為確定該區域9#煤層厚度，退鉆桿過程中開分支探底6次。910鉆場實際完成鉆進工程量見表1。

3　抽采覆蓋

從9#煤層鉆場進入10#煤層后，定向鉆進可以實現平滑的沿煤層轉向鉆進，解決了旋轉鉆進在治理鄰近層瓦斯無法有效覆蓋的難題。910工作面鉆孔軌跡剖面示意圖見圖1。

圖1　五虎山煤礦瓦斯抽采鉆孔軌跡剖面示意圖

4　抽采管理

（1）系統組建。鉆孔施工結束后立即將鉆進過程中使用的三通式孔口裝置更換成永久抽放設施，并在每個孔口閥門與氣水分離器（主抽放管路）之間安裝孔板流量測試裝置。

（2）監測原理。定向鉆孔瓦斯流量選用標準孔板流量計按 《流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》（GB/T2624-93）標準測定。

（3）監測實施。新鉆孔施工結束并接抽后在第一個月內每周5次對其進行瓦斯流量觀測，從第二個月至項目結束每周2次對其正常流量進行觀測并形成流量日報表。

（4）監測數據選取。選取了2012年4月910鉆場抽采月報和2011-2013年910鉆場瓦斯抽采年報的數據，見表2和表3。由表2和表3可以看出，單孔抽放平均瓦斯濃度一般在77%左右，單孔純流量0.67～1.01 m3/min，均值為0.79 m3/ min。910鉆場單孔純流量和平均濃度一直比較穩定。也可以分析出因鄰近烏達逆掩大斷層，910區域的瓦斯含量大。

表2　2012年4月910鉆場抽采月報

（5）效果分析。各鉆場治理效果分析如表4所示。從表4可以看出，910條帶治理區域抽采率達到了42%，而鄰近條帶的9081達到了90%抽采率。這種利用上水平鉆場，同時采取水平與下傾孔聯合布置的方式，可以同時抽采兩個或多個煤層瓦斯，防止開采時鄰近層瓦斯泄入，實現安全、高效生產的目的。

5　結論

截至2015年3月底，五虎山礦910運輸巷尚未掘進，910回風巷現已掘進900 m，根據礦實際掘進瓦斯涌出情況，該巷道內瓦斯探頭讀數未超過0.3%，未發生過瓦斯超限事故。

因此，采用定向鉆進對五虎山礦9#煤層、10#煤層鄰近層治理瓦斯工作達到了預期治理效果，可以覆蓋全采區預抽區域，滿足區域治理工作的要求。

表3　2011-2013年910鉆場瓦斯抽采年報

表4　各鉆場治理效果分析表

［1］ 凌志強，彭勇等.沿煤層定向鉆進瓦斯抽采技術在寧夏礦區的應用［J］.煤炭科學技術，2008（11）

［2］ 呂繼昌.煤礦工程孔定向鉆進技術 ［J］.中國煤炭，1995（5）

［1］ 姚盼盼.VLD-1000型定向鉆機的孔內事故分析及防范措施［J］.中國煤炭，2011（1）

（責任編輯 張艷華）

Application of the technique of directional drilling of middle and long distance for gas treatment of adjacent coal seam

Peng Yong1，2
（1.College of Civil Engineering of Henan Polytechnic University，Jianzuo，Henan 454000，China；2.China Australia Mining Development Alliance Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aiming at the problems that the gas content is high and the interlayer spacing is small between the No.9 and No.10 main mining coal seam in Wuhushan coal mining Co.，Ltd. of Shenhua Group，It was put forward that the drilling field was settled in the roadway of the No.9 coal seam and the gas in two coal seams was predrainage at the same time.The precision drilling from top to bottom and covering two seams was realized by the directional drilling technique，and the gas drainage can meet the standards.Aiming at the problems that the coal seams are becoming thin and encounter the anticline on the boundary faults of the eastern side in 910 mining area，the location of the 910 delivery roadway should be accurately designed，the precise directional drilling prospecting geologic fault structure was proposed，and the results show that the directional drilling can not only solve the gas problem，but also can explore geology to avoid roadway development failures and the economic losses.

directional drilling，adjacent coal seam，gas treatment，geological exploration

TD712.6

A

彭勇（1977-），男，山東鄒城人，工程碩士，現任北京中澳聯合礦業技術發展有限公司副總經理，主要從事煤礦安全專業化服務、瓦斯治理、定向鉆進工作。