井下定向長鉆孔高效治理瓦斯技術研究

摘 要：近年來，煤礦隨著采場向深部延伸，瓦斯災害嚴重程度和治理難度在不斷增大，迫切需要在瓦斯治理的裝備和技術上進行開拓創新，提高瓦斯治理效率和效果。本文主要介紹定向長鉆孔治理采空區瓦斯施工工藝要點和特點，旨在給礦井瓦斯治理提供借鑒和參考。

關鍵詞：高位鉆孔；高端設備；技術工藝；定向施工；瓦斯抽采

1問題的提出

突出礦井突出煤層高瓦斯工作面采用傳統高位鉆孔治理采空區瓦斯存在技術的局限性，具體表現在以下三個方面。

（1）連續施工高位鉆場占用掘進隊伍。采用傳統的走向高位鉆孔抽采采空區瓦斯，風巷每100m布置一個鉆場，單個鉆場巷道工程10m，工作面回采期間需占用一支掘進隊伍連續施工，且高位鉆場施工均為炮掘和人工出貨，掘進效率低。

（2）傳統高位鉆孔有效利用率低。高位鉆孔有效抽采段在裂隙帶，但傳統高位鉆孔從煤層頂板5m左右穿層施工至目標層位，大量鉆孔處于裂隙帶以下的抽采效果不佳或無效的冒落帶。經考察，140m的鉆孔有效抽采段長度僅50m左右。

（3）頻繁過鉆場安全風險高。工作面過鉆場時，該鉆場高位鉆孔已失去作用，而下一輪高位鉆孔剛剛進入有效抽采范圍，抽采效果不佳，致使大量采空區瓦斯涌入工作面，易造成瓦斯預警或超限事故。同時過鉆場時，頂板管理難度大，鉆場封堵垛袋勞動強度大，安全隱患多。

2 定向高位長鉆孔簡介

為補齊高位鉆孔短板弱項，祁南礦積極應用了長距離定向鉆孔技術，利用其鉆孔軌跡可控、鉆孔深度大的優勢，取代了傳統的高位鉆孔，實現了采空區瓦斯的高效治理。

3 應用實例

祁南煤礦在34下6工作面大力發展定向鉆進先進適用技術，通過不斷完善施工工藝，強化管理，實現了高位鉆孔一鉆到位、篩管到底，取代了傳統的高位鉆孔。

3.1工作面概況

34下6工作面位于34下采區第六區段，工作面走向長1550m，傾向長177m，標高（-605m～-718m），回采32煤層平均煤厚3.2m，實測3煤層最大原始瓦斯壓力4.0MPa、最大原始瓦斯含量11.2m3/t。煤層直接頂底板為泥巖護層，老頂為砂巖頂板，巖性致密，工作面可采儲量117萬噸，為礦井的生產主力面。

（1）精準采前區域治理。針對高瓦斯、高壓力的瓦斯災害狀況，該工作面采用穿層鉆孔結合順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯。首先施工底板穿層鉆孔卸壓抽采，然后在機巷采用大功率履帶鉆機按照“一孔到位”標準施工順層鉆孔，同時積極對標抽采“四化”開展示范創建，百孔瓦斯抽采純量最高達2.0m3/min，成效顯著。經區域治理后，殘余瓦斯壓力和瓦斯含量分別降至0.21MPa和4.25m3/t，消除了煤與瓦斯突出危險。

（2）精細回采局部治理。回采期間，嚴格落實老塘埋管、高位鉆孔抽采等瓦斯防治措施。根據抽采效果數據考察分析，進一步優化老塘埋管步距和高位鉆孔設計，不斷提高抽采效果。回采期間，配風量1800m3/min，平均瓦斯涌出量20m3/min，瓦斯抽采量14m3/min，抽采率70%，杜絕了瓦斯預警、超限事故。

3.2定向高位施工工藝特點

3.2.1突出源頭設計，做細一體化論證

（1）“一鉆到位”鉆場設計。圍繞定向鉆可行性充分開展安全技術經濟一體化論證，按照“一鉆到位”設計思路，在全面分析定向鉆施工效率、工作面推進速度、高位鉆場接替等因素基礎上，最終確定在收作線外15m處施工施工定向鉆場，全面取代10#鉆場外剩余的高位鉆場。定向鉆場按斜巷段14°上山施工，平臺尺寸長×寬×高=10m×5.5m×3m，為ZDY-12000LD型大功率鉆機施工創造條件。

（2）針對性鉆孔設計。在認真分析32煤頂板巖性、采空區裂隙帶發育基礎上，通過分析比對高位鉆孔抽采最佳層位，結合工作面推進度，科學選取32煤頂板上20～24m作為定向鉆孔水平施工目標層位，終孔深度700m，傾向上控制到面內平距60m位置，共設計6個孔，從設計源頭上保證抽采效果最大化。

3.2.2集中優質資源，確保定向鉆孔“鉆到位、管到底”

（1）“高端化”鉆機裝備。采用國內最先進的ZDY-12000LD型鉆機，BLY460履帶泥漿泵站、YHD3-1500泥漿脈沖測量系統、Φ89mm螺桿馬達等成套設備施工定向鉆孔。委派專業化鉆探隊伍施工，西安煤科院現場全程進行技術指導，保證鉆孔施工效果。

（2）“定制化”鉆進施工。34下6工作面32煤層上覆多層泥巖，傳統定向鉆進孔內易發生塌孔、抱鉆事故，嚴重制約鉆孔施工深度。針對這個問題，創新使用高壓水驅動孔底馬達帶動鉆頭旋轉切削巖石結合鉆機回轉器帶動鉆桿旋轉施工工藝，增強鉆孔排渣能力，降低鉆孔摩擦阻力，使定向鉆孔深度最大達到700m。

（3）“信息化”施工監管。定向鉆孔通過隨鉆測量探管將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角等數據實時傳輸到孔口計算機，形成鉆孔實鉆軌跡。利用計算機技術、網絡通訊技術及多媒體技術等，實現井下鉆場定向鉆機隨鉆測量數據、相關文件的井上傳輸及交互共享；管理、監督人員可在井上查看指定鉆場施工鉆孔的實時測量數據，可對測量數據進行存儲、顯示、分析與處理，實現了施工數據上傳的“自動化”，以及施工管理的“遠程化”與“信息化”。同時還可將軌跡數據導入巷道地質資料CAD圖紙中，方便結合地質資料查看鉆孔施工情況，確認鉆孔施工是否達到設計要求。可實現當前鉆孔軌跡數據的三維顯示，幫助管理人員更直觀的觀察施工鉆孔的空間分布情況。

（4）“精細化”下篩管。高位定向鉆孔因鉆孔深、單孔使用周期長，一定時間后會因為泥巖縮徑、地應力集中等原因而塌孔、堵孔造成鉆孔報廢，所以能否全程下篩管護孔直接決定了鉆孔的抽采效果。但長期以來受篩管強度（特別是絲扣處）、鉆孔內壁臺階高差、曲率變化等條件制約，導致“孔到位、管不到底”。為進一步精細、優化篩管設計和下篩管工藝。新型篩管中間為材質R780、壁厚6.5mm的Ф50mm篩管，在篩管兩端焊接Ф73mm變徑接頭，同時對變徑的絲型進行了改進，由傳統的錐型絲改進為梯形絲，并增加了絲紋的深度，進一步提高了篩管絲扣接頭處的強度。下篩管工藝方面，在篩管前端安裝一個特殊加工的導向鉆頭，引導篩管漸進式均衡導入，有效的避免篩管被大曲率孔段以及鉆孔臺階卡死。若篩管仍被卡死，可以通過回轉，利用鉆頭將臺階磨平，或通過大曲率孔段后繼續施工。通過以上工藝的實施，破解了下篩管的瓶頸問題。34下6工作面施工的定向鉆孔，下篩管最深692m，真正實現了“鉆到位、管到底”，保證了鉆孔抽采的可靠、穩定、高效。

4 結語

通過34下6工作面過實施定向長距離鉆孔，代替了6個普通高位鉆場和11400m高位鉆孔，節省巷道工程60m。經過后期工作面回采期間抽采效果考察，采用定向長鉆孔高位鉆孔平均抽采濃度達到了40%，平均抽采瓦斯純量14m3/min，比傳統高位鉆孔提高了50%，保障了工作面安全高效回采。

參考文獻：

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[2]大孔徑超長定向鉆孔綜合瓦斯抽采技術[J]. 王明，方新秋，許瑞強，張新福. 煤炭工程. 2011（05）

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作者簡介：

王雙劍（1980.01—），男，漢族，安徽省宿州市人，本科，助理工程師，主要從事礦井瓦斯災害治理。