基于定向鉆機的高位鉆孔瓦斯抽采技術

李 罡 陳鵬飛 賈博宇

(1.義煤集團安康部，河南 義馬 472300；2. 義煤集團義安礦，河南 新安 471800 ）

義煤集團義安煤礦屬于“三軟”煤層，單一采用底板巖巷穿層鉆孔區域防突措施效果不佳，工作面回采期間上隅角和回風流瓦斯依然偏大。采用普通鉆機施工高位鉆孔時，需要在工作面回風巷內每60 m施工一個鉆場，造成鉆場施工和鉆孔重疊區域的浪費，并且傳統鉆探技術軌跡無法精準控制，鉆孔無法準確抽采裂隙帶瓦斯，抽采效果一般。隨著我國煤礦安全高效瓦斯治理技術的全面推廣，定向長鉆孔技術施工周期短，抽采地點控制精準，已逐步成為礦井瓦斯防治的重要技術手段[1-6]。

1 試驗裝備

采用ZYWL-4000D煤礦用履帶式全液壓定向鉆機，設備為整體式結構，主要由鉆機主機、通纜定向鉆桿、孔底馬達、ZSZ1500有線隨鉆測量系統、鉆頭等組成。該設備調斜角度范圍0°～360°，方位角可調角度范圍±90°，可以在狹小的鉆場進行迎面、巷道全斷面鉆孔施工，配套的有線隨鉆測量系統采用探管孔外供電技術，能保證持續供電，提高打鉆效率。

2試驗地點

試驗地點選擇在義煤集團義安礦11040上巷。二111040工作面煤層厚度1.8～8.8 m，平均4.0 m，煤層結構較簡單，局部含一層夾矸，大部不含夾矸，夾矸巖性為黑色砂質泥巖、泥巖或炭質泥巖。實測原始瓦斯含量3.37～11.28 m3/t，原始瓦斯壓力0.10～0.80 MPa，堅 固 性 系 數f為0.14～0.46，瓦斯放散初速度ΔP為15.17～31.66，吸附性常數a=43.488，b=0.42。

3 現場試驗

3.1 裂隙帶研究

綜合考慮11040工作面二1煤層發育高度及煤層賦存情況，施工3個裂隙帶測定鉆孔。其中1#鉆孔孔徑113 mm，開孔傾角29°，目標方位220°，根據不同位置的抽采濃度、抽采純流量變化以及日抽采純量確定裂隙帶范圍。通過對鉆孔抽采濃度、流量與工作面推進期間鉆孔控制煤層頂板高度、水平寬度發現，1#鉆孔控制煤層頂板高度從20 m開始，抽采濃度、流量和日抽采純量明顯增大，較前期增大1倍左右，28 m后明顯下降。綜合3個鉆孔抽采情況，說明工作面裂隙帶發育高度為23～27 m，寬度為6～42 m。抽采情況與1#測定孔控制關系表見表1。

3.2 高位鉆孔效果試驗

3.2.1 鉆孔設計

為進一步研究高位定向鉆孔抽采效果，根據前期裂隙帶研究情況，綜合考慮11040工作面二1煤層發育高度及工作面煤層賦存情況，選定高位定向長鉆孔控制煤層頂板上方25 m，控制工作面水平方向42 m。在鉆場內共設計鉆孔7個，孔深282 m，開孔傾角21°，目標方位225°，1～7#鉆孔開孔方位分別為219°、209°、200°、194°、216°、205°和199°。通過對每個鉆孔抽采濃度、流量與工作面推進期間鉆孔控制煤層頂板高度、水平寬度分析抽采效果。布置圖如圖1、圖2。

圖2 11040工作面高位鉆孔開孔布置圖

3.2.2 施工情況

自2020年10月3日開始，礦井在11040工作面上巷施工1個長 7 m、深5.5 m、高3.5 m的低位鉆場，自2020年10月9日至2020年11月28日，施工6個孔深366 m、1個孔深360 m的高位鉆孔（其中2#孔初次施工時，由于施工84 m不反水，鉆孔退至33 m，鉆頭掉至孔內，重新進行了施工），鉆孔平均控制層位為煤層頂板上方25 m，每班平均施工22.5 m。

3.2.3 施工存在問題

（1）鉆孔施工過程中，鉆機小泵壓力異常偏大，導致泥漿泵水管爆。

（2）11040上巷供水管內雜質較多，由于鉆機另配的水箱內濾網孔隙較小，致使鉆機另配的水箱內濾網堵塞，影響ZYWL-4000D定向鉆機供水泵運轉。

（3）由于11040上巷二1煤層頂板上方20 m處存在一層厚度約0.8 m左右的二2煤，造成鉆孔在施工到該位置時，易出現塌孔等異常情況。

（4）鉆孔正式施工前，需采用Φ153 mm鉆頭進行擴孔，之后下直徑Φ127 mm套管，然后注漿固管后，方可開始施工。但在前期施工時，由于固管水泥凝固時間不足，導致鉆孔固管失敗，重新封堵。

3.2.4 注意事項

根據定向鉆機施工過程中存在的問題，總結出高位定向鉆孔施工注意事項及操作要點：首先檢查油箱液壓油油位是否在液位計三分之二以上，開機之前必須先開靜壓水和冷卻水，檢查鉆機支護是否牢固，需旋轉操作臺時，必須把鉆機后上錨固錨固牢靠。開孔、移機、定位應保證鉆機離孔口小于2 m，嚴禁使用孔底馬達開孔。在鉆進前應先關掉卸壓水閥，打開供水閥，間隔20 s后再啟動泥漿泵，等孔口返出水后，再勻速鉆進施工。正常施工過程鉆進中應確認剎車制動處于剎車狀態（除上下鉆桿和調整彎頭方向外）。遇計劃內停電，如果正在測量數據，應立即去掉測量夾，保存數據，以防數據丟失。上下鉆桿過程中一定要打開浮動位手柄，上鉆桿時應保證旋轉壓力不超過13 MPa，應緩慢勻速旋轉動力頭拆裝鉆桿。遇水量較小，應調節水泵微調閥減小吸水量，調小鉆桿給進速度。鉆進過程中嚴禁打反轉，嚴禁同時打開夾持器、卡盤。

3.3 抽采效果情況

2020年10月10日，11040上 巷1～7#高 位 定向鉆孔中1#孔開始連管抽采，抽采計量截至2020年12月31日。其中1#鉆孔累計抽采瓦斯量55 190 m3，2#鉆孔累計抽采52 909 m3，3#鉆孔累計抽采27 545 m3，4#鉆孔累計抽采38 350 m3，5#鉆孔累計抽采51 135 m3，6#鉆孔累計抽采60 145 m3，7#鉆孔累計抽采54 560 m3，總計抽采瓦斯量339 834 m3。根據1～7#鉆孔瓦斯抽采情況，工作面推進至距鉆孔終孔位置3～7 m左右時，高位鉆孔逐步出現瓦斯抽采流量；工作面推進過鉆孔終孔位置后，瓦斯流量和濃度逐步增大；工作面推進至鉆孔控制范圍內后，鉆孔平均單孔抽采純量0.41 m3/min，鉆孔平均日抽采量590.4 m3，平均抽采濃度18%。而臨近工作面普通低位鉆場高位鉆孔的單孔平均抽采純流量0.08 m3/min，鉆孔平均日抽采量180 m3，平均抽采濃度6%。定向長鉆孔相比普通鉆孔流量、日抽采量和濃度分別提高5.1倍、3.3倍和3倍。定向長鉆孔有效抽采長度達到210 m以上，相當于3個普通高位鉆孔的控制長度。通過定向長鉆孔的施工，極大地降低了工作面采空區的上隅角瓦斯涌出量，使上隅角瓦斯涌出量下降了2. 73 m3/min，工作面日生產原煤提高800 t。自高位鉆孔正式起效果開始計算，為工作面累計增加原煤產量12 800 t，累計產生效益486.4萬元。

4 結論

（1）通過對3個裂隙帶測定鉆孔進行分析，考察出工作面裂隙帶發育高度為23～27 m，寬度為6～42 m，對三軟煤層的類似礦井具有指導意義。

（2）7個高位定向鉆孔嚴格按照設計參數進行軌跡控制，鉆孔位于煤層頂板以上25 m的有效鉆孔長度在210 m 以上，占整個鉆孔長度的57%，相當于3個普通高位鉆孔的控制長度。定向長鉆孔相比普通鉆孔流量、日抽采量和濃度分別提高5.1倍、3.3倍和3倍，瓦斯抽采效果良好。

（3）通過發現定向長鉆孔施工過程中存在的問題，研究總結鉆孔施工的操作要點和注意事項，使鉆孔單孔施工長度達到366 m，大大提高瓦斯治理的抽采縱深。

（4）按照無效、低效就是最大浪費的原則，施工高位定向鉆孔可以節約大量的瓦斯治理時間，提高瓦斯治理效果。