深孔定向鉆機在瓦斯防治中的應用研究

王圣普

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺 054201）

0 引 言

隨著東龐礦煤炭采掘生產不斷向更深部區域延伸，開采的深度和強度繼而增加，礦井煤層賦存地質條件日趨復雜多變，礦井瓦斯涌出量逐漸增加，礦井瓦斯抽采力度不斷加大，鉆孔、鉆場工程量也逐年增加，在瓦斯治理上瓦斯抽采[1-3]發揮了巨大作用，確保了礦井安全生產，但工作面高產高效的需要，對礦井瓦斯治理工作提出了更高的要求，尤其在瓦斯抽采工程超前實施方面，繼續采用普通鉆探設備已不能滿足礦井集約化生產，煤巷掘進效率、采煤工作面產量、礦井采掘銜接等均受到了一定程度的影響。

為了進一步提高生產效率，提升礦井安全保障能力，很多礦井積極引進了定向液壓深孔鉆機。該設備具有指向性精準、鉆進深度長、鉆孔可控制抽采范圍大、對井下作業環境的適應性強、可施工定向鉆孔。根據東龐礦瓦斯治理現狀[8]，在瓦斯抽采上系統、深入地開展深孔定向鉆機應用技術創新研究顯得十分必要，并且意義深遠。

1 工程概況

東龐礦東龐井主采2 號煤層，煤層平均厚度約4.18 m。大部分為單一煤層，在礦井可采范圍北部分布著大面積的多煤層分叉區，且2 號煤中普遍存在0.9~2.0 m 厚夾矸層。根據煤與瓦斯突出危險性鑒定結果，東龐礦2 號煤層具有煤與瓦斯突出危險性。礦井實際生產過程中測算的2 號煤層瓦斯含量6.46 m3/t 以下，瓦斯壓力1.15 MPa 以下。2021 年8月測算絕對瓦斯涌出量32.25 m3/min，相對瓦斯涌出量5.63 m3/t。2 號煤層的透氣性系數為0.046 m2/(MPa2·d)，屬于較難抽放煤層。

2 深孔定向鉆機

2.1 原 理

礦井近水平深孔千米定向鉆探技術是煤礦井下鉆探領域的一項新技術，采用領先的孔底螺桿馬達定向鉆進技術，實現人為控制鉆孔鉆進軌跡，主要應用于巖層（普氏系數f＜6） 和較穩定、較硬煤質煤層（普氏系數f＞0.6） 的瓦斯抽放鉆孔和地質勘探孔。定向鉆孔相比較于普通抽采鉆孔，具有可控鉆孔軌跡、可實現長孔深鉆進、鉆孔覆蓋抽采區域廣、遇障礙時可在孔內可開分支等優點。在采用孔底螺桿馬達鉆進過程中，將探管連接在孔底螺桿馬達后面，在鉆進過程中，探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數據通過專用鉆桿傳送到鉆機自帶礦井專用防爆電腦，通過內置軟件的自動分析處理，在電腦上顯示鉆孔參數、設計軌跡、鉆孔軌跡等信息，通過對比分析鉆孔軌跡和設計軌跡的差別，及時調整孔底螺桿馬達彎頭的朝向，從而使得鉆孔可以按原設計軌跡施工，從而實現定向鉆進。

2.2 測量系統及參數

測量系統采用YHD2-1000（A） 隨鉆測量裝置，裝置由YHD2-1000J 礦用隔爆兼本安型計算機、YHD2-1000P 礦用本安型鍵盤、YHD2-1000C數據存儲器和YHD2-1000T（A） 礦用本安型隨鉆測量裝置探管組成。礦用本安型隨鉆測量裝置探管采用計算機孔口供電，可在孔內連續使用，不需要中途更換。深孔定向鉆機定向鉆進示意如圖1所示。

3 風動孔底螺桿馬達定向鉆進技術的應用

3.1 21218 工作面切眼塊段概況

21218 工作面瓦斯情況為第一階段測得2 號煤最大原始瓦斯含量5.4711 m3/t，瓦斯壓力0.583 MPa；第二階段抽采前實測煤層瓦斯含量最大為5.7187 m3/t，瓦斯壓力0.589 MPa。

圖1 深孔定向鉆機定向鉆進示意Fig.1 Directional drilling of deep hole directional drilling rig

3.2 定向順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯區域防突措施

12 采區21218 工作面切眼塊段范圍包括外部切眼89.99 m、補軌道巷76 m、里部切眼89.9 m、工作面皮帶巷（里段） 75.8 m 及其合圍的21218 工作面回采區域內的2 號煤層，采取煤層定向深孔千米鉆機施工“順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯”的區域防突措施。

順層鉆孔采用ZDY4000LD（C） 定向千米鉆機施工，鉆孔直徑為113 mm，終孔間距≤4.5 m，該區域順層預抽鉆孔分2 個階段進行施工，第一階段先施工定向鉆孔覆蓋21218 工作面外切眼、補軌道巷，共設計鉆孔51 個，鉆孔量6 196 m。第二階段施工定向鉆孔覆蓋切眼、皮帶巷（里段），共設計鉆孔44 個，鉆孔量4 310 m。要求鉆孔封孔深度不得少于15 m，抽采時間不得少于30 d，孔口負壓不小于13 kPa。鉆孔施工完畢后要求下護孔套管，防止鉆孔塌孔。合計95 個鉆孔，10 506 m。21218切眼塊段區域防突措施鉆孔布置平面如圖2 所示。

3.3 區域措施效果檢驗情況

第一階段鉆孔自2020 年10 月2 日開始抽采，至2021 年1 月13 日，第一階段所有預抽鉆孔已抽采期滿30 d，鉆孔抽采負壓不低于13 kPa，經統計第一抽采階段共抽采瓦斯10.867 5 萬m3。第二階段鉆孔自2021 年5 月22 日開始抽采，至7 月25日，第二階段所有預抽鉆孔已抽采滿30 d，抽采負壓不低于13 kPa，經統計第二階段共抽采瓦斯5.644 7 萬m3。

東龐礦于2021 年1 月14 日—2021 年1 月25日，按照設計施工了5 個鉆孔對第一階段進行效果檢驗，共布置18 個效果檢驗點。2021 年7 月25日—8 月2 日，按照設計施工了5 個鉆孔對第二階段進行效果檢驗，共16 個效果檢驗點，效果檢驗孔采用西安煤科院ZDY4000LD（C） 履帶式全液壓深孔定向鉆機結合重慶煤科院研制SDQ 專用定點取樣裝置在現場按要求取樣，并進行了殘余瓦斯含量等瓦斯基本參數的測定，34 個效果檢驗點測定的煤體殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，殘余瓦斯壓力均小于0.6 MPa，符合礦井規程要求。區域防突措施效果檢驗鉆孔在施工過程中，沒有出現噴孔、頂鉆等煤與瓦斯突出預兆，因此判定區域預抽防突措施合格有效。

圖2 21218 切眼塊段區域防突措施鉆孔布置平面Fig.2 Layout plane of No.21218 boreholes for outburst prevention measures in section area

3.4 工作面掘進期間瓦斯情況

（1） 第一階段掘進情況。

21218 外切眼—補軌道巷掘進期間迎頭瓦斯濃度最大為0.41%，日平均瓦斯濃度最大為0.09%，工作面掘進期間瓦斯涌出正常，無瓦斯異常現象發生。連續22 d 的記錄數據瓦斯濃度變化情況如圖3所示。

21218 切眼—皮帶巷里段掘進期間迎頭瓦斯濃度最大為0.46%，日平均瓦斯濃度最大為0.1%，工作面掘進期間瓦斯涌出正常，無瓦斯異常現象發生。記錄數據如圖4 所示。

圖3 21218 外切眼—補軌道巷掘進期間瓦斯濃度變化Fig.3 Changes of gas concentration during excavation of No.21218 external cutting-replenishing track roadway

通過對21218 工作面外切眼、補軌道巷、切眼、皮帶巷里段掘進瓦斯濃度變化數據的收集和分析，采取定向順層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施后，外切眼—補軌道巷—切眼—皮帶巷里段掘進期

（2） 第二階段掘進情況。間工作面突出危險性預測指標均小于臨界值，且掘進期間瓦斯涌出量平穩，掘進工作面迎頭及回風瓦斯均處于低值，從目前掘進實際情況看，在東龐礦利用定向順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯區域防突技術取代底板巖巷穿層鉆孔預抽這一技術試驗是成功的可行的。

圖4 21218 切眼掘進期間瓦斯濃度變化Fig.4 Chart of gas concentration change during cutting hole driving in No.21218 Face

3.5 經濟效益情況與推廣價值

底板穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施與定向順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯區域防突措施對比（表1）。

綜上所述，采用風動孔底螺桿馬達定向鉆進技術定向鉆孔區域防突措施后可節約費用513.42 萬元，可節約施工時間7.75 個月。該方法通過在東龐礦的實際應用，有效減少了鉆孔工程量，并且為該礦提供了一種新的消突方法，進一步提高了礦井防突管理水平，使防突工作更具針對性、超前性和準確性，保證了礦井正常接替，為礦井實現長治久安奠定了基礎，產生良好的經濟效益及社會效益，具有極大的推廣應用價值。

表1 風動孔底螺桿馬達定向順層鉆孔與底板穿層鉆孔對比分析Table 1 Comparative analysis of directional borehole and bottom borehole of screw motor with wind hole

4 結 論

（1） 采用風動孔底螺桿馬達定向鉆進技術定向鉆孔區域防突措施后可節約費用513.42 萬元，可節約施工時間7.75 個月，有效減少了鉆孔工程量。

（2） 通過現場試驗，確定了適合東龐礦2 號煤層賦存特點的深孔定向鉆機鉆進參數合理配比、鉆孔開口角度以及泵壓力、流量、鉆進速度等鉆探綜合技術參數。充分發揮該鉆機的定向鉆進功能，使鉆孔可以實現精準到達預計終孔位置。該鉆機施工定向鉆孔孔深在理論上可以達到160 m 水平，鉆孔有效抽采時間長。

（3） 深孔定向鉆機具有定向開分支孔功能，通過在主孔上開分支孔可增大鉆孔的覆蓋面積，增大卸壓范圍，提高抽放效果，縮短瓦斯預抽時間。實現一孔多用，頂板水平主孔向采空區開分支，使綜采工作面開采完畢后，仍然可以繼續抽采，加強了采空區瓦斯管理，同時，可利用鉆孔進行采空區注漿，加強采空區防滅火管理。