大直徑定向鉆孔鉆進工藝在寺河礦的應用

郭 青

（山煤國際能源集團股份有限公司煤業分公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

晉煤集團寺河礦3 號主采煤層瓦斯儲量達54.15億m3，3號煤層噸煤瓦斯含量東井區為9.03 m3，礦井絕對瓦斯涌出量為486.6 m3/min，是國內乃至世界罕見的高瓦斯礦井［1］。隨著礦井釆掘能力提高，工作面瓦斯大量涌出，對礦井安全生產造成了嚴重威脅。目前的主要解決辦法之一是施工高抽巷進行煤層氣抽釆，該種工藝雖然能夠有效的對煤層氣進行抽釆，但是前期需要進行巷道的掘進，工作量大，施工周期長，成本高。

自2003年以來，煤礦井下定向鉆進技術及裝備在井下順煤層瓦斯抽采鉆孔施工中取得了一定成效。寺河煤礦曾嘗試利用大功率定向鉆進技術與裝備進行頂板定向鉆孔施工，一次鉆孔孔徑達到了120 mm，擴孔孔徑達到了153 mm，但煤層氣抽釆量及抽釆效率較低，無法達到煤層氣高效抽釆的要求。現有的隨鉆測量定向鉆進裝備與技術已不能適應頂板巖層瓦斯抽采鉆孔施工需求，主要體現在：螺桿馬達扭矩小；無磁鉆具壽命短；大直徑鉆孔成孔效率低；小口徑先導孔擴孔鉆進難度較大；泥漿泵泵量難以滿足大直徑成孔需要；滑動定向鉆進效率低，平均日進尺不足70 m；鉆孔孔徑只有96 mm，不利于高效抽采,抽采量穩定性差；鉆孔深度小，有效進尺短，鉆孔浪費嚴重，工程量增加。因此，有必要選用一套目標孔徑200 mm以上的大直徑定向鉆孔鉆進工藝及配套設備，使其能夠快速、高效的施工大直徑定向鉆孔，并保證鉆孔軌跡的可控性，建立穩定可靠的瓦斯抽放通道，解決現有小直徑定向鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采量低的問題[2-3]。

2 寺河礦采空區瓦斯來源分析

煤層開采垮落后，剖面方向上覆巖層形成裂隙，一類是層間裂隙，一類是豎向斷裂裂隙，隨著巖層破斷形成的穿層裂隙，此類裂隙是溝通上下巖層間瓦斯流動的重要通道[4]。對于工作面兩巷處，由于煤柱的支撐作用，裂隙在兩巷側能長期存在；而工作面中部由于巖層垮落壓實，離層量很小、裂隙被壓實。因此，由下至上可以分為Ⅰ冒落帶、Ⅱ裂隙帶、Ⅲ彎曲下沉帶，A煤壁支撐區、B離層區、C重新壓實區，見圖1。因此，在剖面上瓦斯分布于垮落三帶里的裂隙帶中，因此將高位定向長鉆孔布置于裂隙發育的裂隙帶中，即可高效抽采瓦斯[5]。

圖1 工作面豎向三帶劃分

根據上文分析可得，煤層采出后，工作面中部趨近于壓實狀態，而工作面采空區周邊由于煤柱支撐作用會形成一定的裂隙區，形如O型范圍，見圖2。因此在平面上，瓦斯主要分布于采空區周邊裂隙發育的頂板巖層中，因此在平面上將鉆孔布置于采空區周邊裂隙發育頂板中，可實現瓦斯高效抽采[5]。

圖2 采空區O型裂隙區分布范圍

3 大直徑定向長鉆孔成孔施工裝備及選型

根據寺河礦井下工作面具體條件分析，選用的主要設備為ZDY6000LD系列鉆機、1.25°89 mm螺桿馬達、BLY260/390/400泥漿泵車系列、73/89 mm通纜鉆桿、120/200 mm擴孔鉆頭、98/120 mm 定向弧角鉆頭、YHD2-1000二代有纜隨鉆測量系統等。

3.1 1.25°89 mm螺桿馬達選型

螺桿馬達以高壓泥漿作為動力的一種孔底動力鉆具。具有施工工序簡單、定向鉆進效果好、可以和測斜儀器配合準確控制鉆孔軌跡等特點，可控制鉆孔方位和傾角，從而實現鉆孔的受控定向和側鉆開分支，可以靈活的實現定向鉆進效果。本項目選用螺桿馬達作為定向鉆進施工的特種鉆具，并對其進行特殊結構改造。通過考察調研和性能分析，并結合寺河礦井下具體條件，選用1.25°Ф89 mm的三機螺桿馬達，為提高鉆頭排渣能力，在定子外壁上銑洗螺旋槽。

3.2 配套鉆頭選型

選用Ф120 mm/Ф200 mm擴孔鉆頭，Ф120 mm/Ф200 mm整體式錐形復合片擴孔鉆頭將鉆孔直徑由Ф120 mm 擴大至Ф200 mm，實物見圖3。通過現場試驗發現，該鉆頭對寺河礦地層適應性強，成孔率較高，其原因在于其布齒設計采用分層錯峰概念，實現了多軌道、分層等體積切割，鉆進阻力小，重復破碎少，施工中可一次擴孔至設計孔徑，相比多次成孔工藝，效率得到大幅提高。

圖3 Ф120 mm/Ф200 mm 擴孔鉆頭

3.3 泥漿泵車選型

定向鉆進設備配套使用的泥漿泵需具備大功率的特點，將提供高壓液體部件與其他輔助設備集成為一體，獨立作為泥漿泵車，鉆車和泵車通過單根液壓管路連接，泵車上設備分為兩列布置，將動力組件、操控部件、履帶行走平臺、泥漿泵單元及瓦斯傳感儀分兩列布置于泵車平臺上。根據鉆進過程中水力沿程損失和泥漿脈沖信號溫度傳輸需要，本項目的泥漿泵，具有壓力高、泵量大的特點，可用于孔徑Φ90～200 mm、孔深800 m的全面或取芯鉆進，能夠完全滿足排粉、正常鉆進和泥漿脈沖信號傳輸的要求，滿足定向鉆進所用孔底螺桿馬達驅動的基本要求，實物見圖4。

圖4 BLY400/12 型泥漿泵車

4 大直徑定向長鉆孔成孔技術施工工藝

4.1 鉆孔設計

鉆孔層位的布置與工作面開采垮落三帶分布高度息息相關，垮落帶和裂隙帶為瓦斯的傳播提供了途徑及儲存場所。當工作面來壓時，儲存的瓦斯突然釋放容易引起瓦斯事故。結合工作面開采經驗在豎直方向上將鉆孔布置于垮落帶和裂隙帶交界面以上4～8 m，避開構造復雜地層，在水平方向，根據瓦斯滲流理論，將鉆孔布置于距離回風巷2倍采高至1/3工作面寬度位置，見圖5。

圖5 鉆孔布置位置

4.2 施工方法

首先采用89 mm螺桿馬達配套120 mm鉆頭按設計軌跡完成導孔施工，然后采用120/200 mm擴孔鉆頭擴孔至200 mm，按照導孔軌跡擴孔至設計孔深，然后下入直徑193 mm封孔管進行封孔，封孔深度超過煤巖結合面3 m，安裝瓦斯抽采管路及旋流除渣器，接入抽采系統。

4.3 應用效果

采用上述大直徑定向鉆孔配套設備針對寺河礦W3302工作面進行工業試驗，自2017年7月10日至2018年12月20日，共施工鉆孔18個，總進尺7 986 m，最大單孔深度492 m，最大孔徑Φ203 mm。通過不同孔徑的對比，Φ203 mm孔徑的鉆孔瓦斯抽放量最高能達到4.86 m3/min，平均抽放量為2.58 m3/min，Φ153 mm孔徑鉆孔的瓦斯抽放量最高能達到1.57 m3/min，平均抽放量為0.44 m3/min，平均抽放量增大5.8倍。使用泵車施工高位鉆孔，每天平均進尺由原先的45 m，提高至90 m以上，施工效率提高1倍。

該技術在抽放量及施工進尺方面大大提高了工作效率，單孔日增瓦斯抽放量數千方，施工效率提升一倍，可使礦井每年節省成本近1 000萬元。

5 結語

本文針對寺河礦瓦斯抽采效率低下的問題進行了大直徑定向鉆孔技術應用研究，得到如下結論：

1）分析了工作面瓦斯分布規律，在豎向上瓦斯主要分布于裂隙帶，在平面方向上瓦斯主要分布于采空區周邊O型區域范圍，根據瓦斯分布規律確定了瓦斯鉆孔的有效抽采范圍；

2）根據寺河礦具體地質條件，選用了大直徑定向鉆孔相配套的專用鉆具：ZDY6000LD系列鉆機、1.25°89 mm螺桿馬達、BLY260/390/400泥漿泵車系列、73/89 mm通纜鉆桿、120/200 mm擴孔鉆頭、98/120 mm 定向弧角鉆頭、YHD2-1000二代有纜隨鉆測量系統等；

3）在寺河礦W3302工作面進行了工業試驗，通過分析瓦斯抽放量與進尺速度，可以得到在此技術配套設備的應用下，大大提高了工作面瓦斯抽放效率。