千米鉆機(jī)在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用分析

肖一凡

（山西焦煤西山集團(tuán)馬蘭礦， 山西 太原 030205）

1 馬蘭礦28307 工作面概述

山西焦煤西山集團(tuán)馬蘭礦28307 工作面位于北三下組煤采區(qū)右翼，皮帶巷、軌道巷均開口于北三下組煤軌道下山，皮帶巷里程1 130～1 158 m 東南側(cè)實(shí)體最小間隔11 m 為28110 采空區(qū)，軌道巷938～1 130 m 西北側(cè)實(shí)體最小間隔40 m 為28106 采空區(qū)，工作面上部實(shí)體間隔65 ～84 m 為22307、22308、22310 采空區(qū)及實(shí)體煤柱，其他位置暫無工程。工作面回采對相鄰工程影響不大。

28307 工作面設(shè)計(jì)走向長1 058 m，傾斜長178 m，回采煤層為石炭系太原組8 號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層普氏硬度2.0～2.5。煤層頂板為L1 泥灰?guī)r，普氏硬度7.0。皮帶巷745～953 m、軌道巷588～772 m 工作面范圍內(nèi)，L1 泥灰?guī)r受古河床沖刷影響，直接頂缺失，相變?yōu)橹屑?xì)砂巖，普氏硬度6.0；煤層底板為粉砂質(zhì)泥巖，含透鏡狀黃鐵礦結(jié)核，普氏硬度5.0～5.5。下部至9 號煤間隔4.6 m，9 號煤平均厚1.25 m，局部缺失。本工作面絕對瓦斯涌出量為1.9 m3/min；相對瓦斯涌出量為0.57 m3/t；屬Ⅱ類自燃煤層，煤層最低著火點(diǎn)溫度為270 ℃。煤塵具有爆炸性。

2 工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀及問題分析

2.1 工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀

為了有效防止工作面回采過程中瓦斯涌出現(xiàn)象，保證工作面安全高效回采，對工作面初步采用布置本煤層瓦斯鉆孔的方式進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯鉆孔采用交替式布置方式，即在運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽兩側(cè)煤壁均進(jìn)行抽采鉆孔布置，鉆孔深度為100 m，直徑為75 mm，同一側(cè)鉆孔布置間距為10 m，兩側(cè)鉆孔交替布置，預(yù)計(jì)工作面共需布置340 個(gè)瓦斯鉆孔。

截至目前，28307 工作面已回采200 m，對工作面回采過程中超前15 m 進(jìn)行煤層瓦斯抽采，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，由于工作面瓦斯鉆孔布置數(shù)量多，鉆孔施工過程中無法有效對煤層進(jìn)行瓦斯抽采，導(dǎo)致工作面在前期回采過程中瓦斯涌出量大，工作面平均瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）達(dá)1.2%，回風(fēng)流中平均瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）達(dá)3.2%，嚴(yán)重威脅著工作面安全高效回采。

2.2 主要存在問題

2.2.1 瓦斯鉆孔施工效率低

28307 工作面回采前期，瓦斯抽采鉆孔采用ZDY-750 型液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，鉆機(jī)配套直徑為65 mm 的鉆桿及直徑為75 mm 的鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，該鉆機(jī)最大鉆探深度為150 m，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，該鉆機(jī)在鉆孔過程中每小時(shí)鉆孔深度不足25 m，每個(gè)鉆孔施工時(shí)間達(dá)4.5 h，鉆孔施工效率低、周期長。

2.2.2 鉆孔施工工程量大

28307 工作面采用傳統(tǒng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，共計(jì)需布置340 個(gè)瓦斯抽采鉆孔，鉆孔總施工工程量大，可達(dá)34 000 m，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度高，施工成本費(fèi)用高等。

2.2.3 鉆孔成孔率差

采用ZDY-750 型液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，鉆孔無法按設(shè)計(jì)進(jìn)行拐彎，而且傳統(tǒng)鉆機(jī)未配置鉆孔測量系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致鉆孔施工時(shí)，鉆孔成孔率差、誤差率高，降低了工作面瓦斯抽采效率。

3 定向鉆探技術(shù)應(yīng)用

為了進(jìn)一步提高工作面瓦斯抽采效率以及瓦斯鉆孔成孔率，決定采用千米鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，以實(shí)現(xiàn)工作面定向鉆探目的[1-2]。

3.1 千米鉆機(jī)結(jié)構(gòu)原理

1）28307 工作面回采至220 m 處時(shí)采用ZDY600L 型千米鉆機(jī)進(jìn)行定向鉆孔施工，該鉆機(jī)主要由履帶車體、主機(jī)、泵站、操縱臺、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置、隨機(jī)測量系統(tǒng)等部分組成；其中主機(jī)、泵站以及操控臺分別通過液壓膠管與履帶車體連接。

2）馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置和隨機(jī)測量系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)千米鉆機(jī)定向的主要裝置[3]，千米鉆機(jī)在鉆孔過程中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置在高壓水流作用下使鉆機(jī)鉆桿及鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)鉆機(jī)測量系統(tǒng)確定鉆孔開孔位置、方位角、彎頭轉(zhuǎn)角等；隨機(jī)測量系統(tǒng)將鉆孔監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至鉆機(jī)自帶的防爆主機(jī)上，操作人員可通過主機(jī)系統(tǒng)直觀地監(jiān)視鉆孔掘進(jìn)情況，并可及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。ZDY600L 型千米鉆機(jī)隨機(jī)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 ZDY600L 型千米鉆機(jī)隨機(jī)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3）目前國內(nèi)外千米鉆機(jī)主要利用泥漿脈沖、電磁波、聲波、智能鉆桿、光纖等幾種方式將鉆孔成像、鉆孔方位角、軌跡等上傳至主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)；28307 工作面采用ZDY600L 型千米鉆機(jī)，利用隨機(jī)測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泥漿脈沖無線信號的傳輸。

4）千米鉆機(jī)在鉆機(jī)時(shí)，在螺桿馬達(dá)尾部安裝1根探管，當(dāng)探管監(jiān)測到泥漿泵停止運(yùn)行時(shí)，測量短節(jié)立即啟動(dòng)，并及時(shí)對鉆孔參數(shù)、馬達(dá)彎頭方向等信息進(jìn)行采集；當(dāng)泥漿泵開啟后，探管將監(jiān)測的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至驅(qū)動(dòng)短節(jié)，并利用電磁閥控制脈沖發(fā)生器，從而改變鉆桿內(nèi)水流通道截面積，控制水流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高低速鉆進(jìn)目的。

3.2 定向鉆孔施工

1）28307 工作面在后期回采過程中共計(jì)布置2個(gè)瓦斯抽采鉆場[4]，第1 個(gè)瓦斯抽采鉆場布置在回風(fēng)順槽300 m 處，第2 個(gè)鉆場布置在回風(fēng)順槽700 m處，每個(gè)鉆場內(nèi)布置8 個(gè)定向鉆場，每個(gè)鉆孔深度為400 m。

2）首先將直徑為93 mm 的合金鉆頭與鉆機(jī)通纜鉆桿進(jìn)行連接，當(dāng)鉆孔施工深度為12 m 后，及時(shí)更換直徑為130 mm 的擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔到位后及時(shí)安裝直徑為122 mm 的無縫鋼管，并采用水泥砂漿進(jìn)行封孔。

3）鉆孔擴(kuò)孔且安裝封孔管后，將探管與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行連接，并對泥漿泵進(jìn)行對接安裝，在鉆孔施工前必須對隨機(jī)測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

4）鉆孔施工時(shí)首先開啟泥漿泵，可根據(jù)泥漿泵實(shí)時(shí)壓力判斷鉆孔孔底煤巖體情況，從而及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力，避免鉆孔塌孔、鉆機(jī)負(fù)荷現(xiàn)象的發(fā)生；鉆孔在施工過程中，每鉆探30～50 m 時(shí)必須及時(shí)進(jìn)行一次準(zhǔn)確測量。

4 結(jié)語

馬蘭礦28307 工作面在后期回采過程中采用千米鉆機(jī)代替普通鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工后，工作面共計(jì)布置8 個(gè)定向鉆孔，鉆孔總深度為6 400 m，與普通鉆機(jī)相比，單孔深度提高了4 倍，鉆孔總深度縮短了27 600 m，大大縮短了鉆孔施工工程量及施工周期，降低了鉆孔施工勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度及鉆孔施工成本費(fèi)用；同時(shí)定向千米鉆孔可滲透至煤層任何區(qū)域，煤層瓦斯抽采效率高，工作面后期回采中實(shí)測工作面瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）不足0.8%，總回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）不足2.0%，保證了工作面的安全高效回采。