深孔定向鉆進技術在瓦斯抽采工作中的應用實踐

王育偉

（山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048400）

目前國內煤礦的主要的事故災害是瓦斯爆炸，瓦斯爆炸往往會造成惡性煤礦重大安全事故，給國家財產和人民生命帶來重大損失。瓦斯爆炸是因為瓦斯氣體積累到一定程度的結果，瓦斯抽采則是抑制瓦斯積累的有效手段[1]。隨著勘探技術的發展以及地質勘探理論的進步，深孔定向鉆探技術已經成為防止瓦斯積聚的有效手段。深孔定向技術采用定向鉆機實現對深孔軌跡進行控制，進而具有鉆探深度大，探測范圍廣，鉆孔軌跡可測可控，單孔抽采瓦斯濃度高，治理瓦斯區域大等優點，目前已經成為礦井煤礦高效治理瓦斯積累的有效手段[2]。

1 深孔定向鉆進技術抽采瓦斯原理

深孔定向鉆進技術是采用定向鉆機，使得鉆孔的軌跡按照預定方向和目標行進的方法，深孔鉆進過程中定向彎曲和傾斜一般依靠人為造斜和自然彎曲等手段來實施，該技術能夠在鉆進過程中定向改變鉆孔的方向，且能對鉆孔的軌跡進行精確控制，實現鉆孔鉆進時能夠按照預定的方向變彎或者變直[3]。

瓦斯氣體在煤層的存在狀態有吸附和游離兩種，處于吸附/解析的動態平衡狀態，其中以吸附狀態的瓦斯氣體為主，大約占據瓦斯總量的85%左右。定向鉆進技術可以有效改變煤層瓦斯氣體吸附/解析的動態平衡狀態，改變煤層原始的應力分布，從而讓更多的吸附狀態瓦斯氣轉向游離狀態的瓦斯氣體，在鉆孔壓力和煤層應力的壓力下形成解吸壓力梯度下，自由狀態的瓦斯向鉆孔流動，經過鉆孔得到有效排放，進而降低煤層中的瓦斯含量[4]。

煤層排放瓦斯的過程中，煤層由于排放瓦斯而收縮，透氣性變高，吸附/解析的動態平衡狀態更容易向解吸方向進行，從而使得煤層更容易釋放瓦斯，釋放的瓦斯被真空負壓設備抽采到地面得到安全處置，這種方法能有效防止煤層開發過程中的瓦斯釋放和積累，避免瓦斯爆炸事故，從而確保了煤炭開采的安全生產。

2 瓦斯抽采作業概況

2.1 煤層概況

本次作業地點在長平礦3 號煤層，本次作業區位于長平礦3 號煤層六采區首采工作面，在煤礦生產圖紙上標記為六采區瓦斯抽采掘進作業面。3 號煤礦脈平均厚5.58 m，煤層有炭質泥巖夾矸，頂板往下1 m 范圍有構造軟煤發育，總體表現為“三高、三多、三軟、一低”的特征。“三高”即高含量、高壓力、高應力；“三多”即陷落柱多、斷層多、夾矸多；“三軟”即煤層軟、頂板軟、底板軟；“一低”即煤層透氣性低。屬典型的軟硬復合低透煤層，抽采難度大。煤層頂部為泥質巖層，為泥粉、細沙、泥巖的混合物；基部為直接泥巖，煤層上方為細粒砂；煤層中含1 層煤矸石。本次作業的工作面長度為1 840 m；斷面設計為矩形，寬4.6 m，高3.27 m。

3 號煤層的地質沉積穩定，煤層結構復雜，并含有煤矸石層，煤層和煤矸石層的厚度分布不均勻。3號煤層的下層煤厚度0.94～1.58 m，平均1.34 m；上層煤厚度為2.24～4.34 m，平均厚度為2.84 m；煤層中間的煤矸石夾層厚度0.54～2.67 m，平均1.37 m；3 號礦煤層總厚度3.75～7.74 m，平均5.26 m；煤層整體傾角平均7°。

3 號煤層的堅固系數為0.5～0.8，為松軟煤層，煤層普氏系數為0.47～0.64，煤層整體透氣性系數0.45～1.27 m2/（MPa2·d），瓦斯含量為8.4～12.3 m3/t。煤層探孔內瓦斯流量衰減系數為0.024 4～0.041 5，屬于瓦斯氣體可抽放煤層。六采區瓦斯抽采掘進作業面含瓦斯單元極其復雜，屬于高瓦斯積聚賦存帶，極易發生瓦斯異常涌出的事故，因此，在煤炭正式開采前，需要對六采區瓦斯抽采巷進行瓦斯治理，其中深孔鉆進方案最為合適。

根據煤礦地質探測采樣的報告可知：3 號煤層排放深孔鉆進的鉆孔直徑Φ 為45 mm，以及瓦斯抽采的負壓（表壓）為－18 kPa，普通孔鉆進技術的鉆孔的瓦斯抽釆有效影響直徑為5.5～7.4 m。如果深孔鉆進技術得到順利實施的條件下，瓦斯排放的有效直徑將會大大增加。

2.2 鉆孔作業概況

本次深孔定向鉆進作業所采用的施工機械為1臺ZYL-17000D 定向鉆機機，該鉆機主要適用于礦井下深層長距離打孔，非常適合用于深井煤炭瓦斯抽采和其他煤層地質勘探作業。瓦斯抽采作業組按照煤礦安全技術領導小組的要求，在六采區瓦斯抽采掘進作業面沿巷道方向掘進方向進行打孔，進行瓦斯抽采作業。

本次深孔定向鉆進作業抽采工作采用1 臺ZYL-17000D 定向鉆機，計劃打2 個主－分支鉆孔；作為對比，另打這一組普通深層定向鉆進孔，以驗證深孔定向鉆進的瓦斯抽采效率。兩組鉆孔直徑均為107 mm，鉆孔深度均為540 m。

鉆孔作業的班組分為3 組，每組工程師兩名，操作員4 名，電器工程師1 名，安全員2 名，每組工作8 h。采用連續作業、一次成孔的方式進行打孔作業。鉆孔施工完成后，由長平礦煤炭安全技術小組的工程師對鉆孔進行水泥砂漿封堵，封堵深度為15 m。等封堵水泥完全硬化，并經過氣密性檢測后，采用高真空負壓抽采系統對深孔內的瓦斯進行抽采。

3 作業結果與分析

六采區瓦斯抽采掘進作業面巷道煤礦開采作業通常按照“鉆孔掘進－瓦斯抽采－鉆孔掘進”的工作模式循環進行，其中鉆孔和瓦斯抽采作業的工作效率越高，時間越短，就可以大大提高煤礦的整體開采效率，提高煤礦單位時間的產量。

而提高煤礦的整體開采效率，最有效的方法是提高瓦斯抽采鉆孔掘進的效率，減少瓦斯抽采鉆孔的用時；其次是提高瓦斯抽采的效率。本文將從鉆孔掘用時和瓦斯抽采效率兩個方面，分析深孔定向鉆進對提高煤礦瓦斯抽采效率的意義。

3.1 鉆孔掘進效率分析

為了驗證普通鉆孔抽采以及深層定向鉆進兩種技術各自的瓦斯抽采效率，本次鉆孔采用了深孔定向鉆孔技術和普通鉆孔技術，在同一作業分別采用兩種技術分別打孔540 m，兩種方式的鉆孔掘進效率如表1 所示。

表1 常規鉆孔與深層定向鉆進鉆孔效率的對比

如表1 所示，對3 號煤層進行常規鉆孔和深層鉆進的方式進行鉆孔，在同一地點，采用同一班組進行分別掘進，掘進深度分別為540 m。通過表1 可知，由于單孔作業的孔深最長不超過180 m，所以需要“鉆孔掘進－瓦斯抽采－鉆孔掘進”的工作方式循環作業三次。采用常規鉆孔抽采瓦斯作業時，其中打鉆3 次總用時41 d，抽采總用時352 d，掘進總用時187 d，共計總用時580 d，月均掘進31 m，而采用深孔定向瓦斯抽采技術可以一次鉆孔，分支打孔的方式對孔型的支線同時打孔，其中打鉆1 次總用時21 d，抽采總用時62 d，掘進總用時125 d，共計總用時208 d，月均掘進77 m。說明深孔定向鉆進瓦斯技術的掘進效率是常規鉆孔技術的兩倍，打孔用時、抽采用時以及掘進用時都大大小于常規鉆孔的用時，深層定向掘進瓦斯抽采技術的工作鉆孔掘進效率大大高于普通鉆孔的效率。

3.2 瓦斯抽采效率分析

本次鉆孔抽采瓦斯的作業中，1 號孔為普通鉆孔，2 號孔為深層定向鉆進孔。在整個抽采作業期間，1 號鉆孔累計抽采純量瓦斯1 585 600 m3，而同時期2 號深層定向瓦斯抽采總量為2 895 400 m3；同樣條件下，深孔定向鉆進瓦斯抽采的量是常規鉆孔瓦斯抽采量的18.3 倍，具體效果對比如表2 所示。

表2 深層定向瓦斯抽采與常規鉆孔效果對比

如表2 所示，深孔定向鉆進單孔瓦斯抽采純量為1.33 m3/min，而常規鉆孔瓦斯抽采量則為0.08 m3/min，抽采量相差16.8 倍；深孔定向鉆進單孔瓦斯抽采抽采體積分數為83%～89%，而常規鉆孔瓦斯抽采體積分數為17%～37%，抽采體積分數相差3～5 倍；深孔定向鉆進單孔瓦斯抽采純量為2.55 m3/min，而常規鉆孔瓦斯抽采純量為1.28 m3/min，抽采體系純量相差2 倍多；本次瓦斯抽采的實踐充分說明：采用深層定向抽采技術后，3 號煤礦六采區瓦斯抽采掘進作業面瓦斯抽采效率會大大提高。

3.3 抽采作業結果分析

在作業地點以常規鉆孔進行煤層瓦斯存儲區域進行鉆孔預抽時，在掘進工作面一次施工左右2 排共18 個鉆孔，按等邊三角形方式進行鉆孔布置，每個孔深不超過170 m，鉆孔直徑為107 mm，鉆孔總深度為540 m。本次深孔定向鉆進瓦斯鉆孔作業，以常規鉆孔單次循環瓦斯抽采3 次，每次掘進150 m 進行對比，在抽采時間均為77 d 的條件下，對兩種瓦斯抽采的打孔方式進行對比。

在相同的抽采時間內，深孔定向鉆進瓦斯抽采在瓦斯純量為常規鉆孔的2 倍多，深孔定向鉆進瓦斯抽采在體積分數上為常規鉆孔的抽采體積分數的3～5 倍，抽采量是后者的16.8 倍。說明采用定向鉆孔技術后，瓦斯抽采的效率大大提高，其工作面抽采的瓦斯純度高、出氣量大，瓦斯抽采持續性好；深層定向鉆進技術在瓦斯抽采的能力以及效率方面均遠遠高于常規鉆孔。

另外，深層定向鉆進技術在鉆孔的能力以及效率方面均遠遠高于常規鉆孔，說明深層定向鉆進技術不僅鉆孔用時少，而且能大大提高瓦斯抽采的效率，整體上大大節約了“鉆孔掘進－瓦斯抽采”的工時消耗，大大提高了作業面單位時間的采煤能力；也說明了在瓦斯抽采過程中，深層定向鉆進技術的主－分支同時鉆孔的作業方式在煤礦瓦斯抽采作業效率上具有顯著的優勢。

4 結論

本文結合長平煤礦的實際采掘條件，利用深孔定向鉆進技術在該礦3 號區域六采區瓦斯抽采掘進作業面進行了瓦斯治理的實際作業，采用深孔定向鉆進技術和普通鉆進技術同時施工的方式，對六采區瓦斯抽采作業面進行瓦斯抽采治理工作的效率進行了對比，分別在掘進工作面一次施工左右2 排共18 個鉆孔，按等邊三角形方式進行鉆孔布置，每個孔深不超過170 m，鉆孔直徑為107 mm，鉆孔總深度為540 m。并對兩種瓦斯抽采作業的用時和效率進行了對比，結果如下：

1）采用常規鉆孔抽采瓦斯作業時共計總用時580 d，月均掘進31 m，而采用深孔定向瓦斯抽采技術可以一次鉆孔，共計總用時208 d，月均掘進77 m。說明深孔定向鉆進瓦斯技術的掘進效率是常規鉆孔技術的兩倍，深層定向掘進瓦斯抽采技術的工作鉆孔掘進效率大大高于普通鉆孔的效率。

2）深孔定向鉆進瓦斯抽采在瓦斯純量為常規鉆孔的2 倍多，深孔定向鉆進瓦斯抽采在體積分數上為常規鉆孔的定抽采體積分數的3～5 倍，抽采量是后者的16.8 倍，充分說明深層定向鉆進技術在煤礦瓦斯抽采作業效率上具有顯著的優勢。

深孔定向鉆進技術是一種高效的煤層瓦斯抽采技術，該技術不但能夠精確控制鉆孔鉆進方向，減少鉆孔的作業的工時，減少鉆孔作業的工時，還能大大增加鉆孔的有效抽采作用范圍，大大提高的瓦斯抽采量和抽采率，這對于煤礦減少瓦斯抽采作業時間，減少瓦斯抽采人工工時，提高煤礦單位時間的產量都具有重大意義。