突出煤層條帶瓦斯定向鉆孔預(yù)抽技術(shù)研究

崔 振

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦， 山西 晉城 048205）

1 某礦地質(zhì)概況

晉能控股集團(tuán)對(duì)某礦進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該礦中煤和瓦斯突出，其中16 號(hào)和18 號(hào)煤層可采，17 號(hào)煤層只能進(jìn)行局部開采，該礦井通過保護(hù)層的形式來進(jìn)行，保護(hù)層為16 號(hào)，通過調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)能夠進(jìn)行作業(yè)的平均厚度是2.88 m，17 號(hào)和18 號(hào)煤層的可作業(yè)厚度分別為1.20 m 和3.18 m。在開采煤層的過程中，常常會(huì)遇到瓦斯的濃度較高、結(jié)構(gòu)斷裂等情況，造成對(duì)瓦斯抽采的過程比較麻煩。

對(duì)該礦存在的煤巷條帶預(yù)抽問題進(jìn)行分析研究，通過采用底抽巷和穿層鉆孔相結(jié)合的方式來對(duì)瓦斯抽取，也就是初步對(duì)地板構(gòu)建底抽巷，采用上覆巖層卸壓的方式，可以很好地提升煤層透氣性，進(jìn)而在底抽巷作業(yè)的過程中進(jìn)行鉆孔，在將要掘進(jìn)的巷道和周邊的范圍進(jìn)行全面觸及。作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題就是成本較高，所耗費(fèi)的精力較大，此外，因?yàn)樵摰V的煤層分布的距離較小，礦場(chǎng)內(nèi)的機(jī)構(gòu)較亂，煤層分布不均勻，當(dāng)進(jìn)行底抽巷工作時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)誤揭煤等現(xiàn)象，導(dǎo)致瓦斯爆發(fā)，嚴(yán)重威脅人身安全。

2 瓦斯技術(shù)原理

通過采用鉆孔的方式進(jìn)行瓦斯預(yù)抽能夠有效地解決煤和瓦斯產(chǎn)生的安全隱患。在進(jìn)行作業(yè)之前，采用瓦斯抽采的方式能夠大幅減小瓦斯的密度，將瓦斯存在的優(yōu)勢(shì)顯示出來，從而達(dá)到煤巷條帶在短時(shí)間內(nèi)解決的計(jì)劃。在進(jìn)行定向鉆孔時(shí)，由于可以對(duì)預(yù)鉆軌道進(jìn)行提前控制，且定向鉆孔深度大等好處，在進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)時(shí)得到普遍的使用，在2019 年相關(guān)規(guī)定中表明，針對(duì)區(qū)域化突出措施，可以通過定向長(zhǎng)鉆孔的方式來進(jìn)行對(duì)瓦斯的抽采工作[1]。

在煤巷條帶掘進(jìn)迎進(jìn)行作業(yè)位置規(guī)劃，對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行部署，在工作過程中應(yīng)該保證鉆孔覆蓋待掘巷道的距離應(yīng)該高于300 m。通過對(duì)煤層相關(guān)的參數(shù)規(guī)定確定鉆孔之間的距離，從而能夠保證位于兩個(gè)鉆孔之間不會(huì)出現(xiàn)空白帶，依照瓦斯密度以及煤層硬度等相關(guān)參數(shù)來安排鉆孔直徑的參數(shù)。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，采用開分支方式來勘探頂?shù)装宓膶?shí)時(shí)，不僅還能夠有效提升鉆遇率，還保證了瓦斯抽采順利進(jìn)行。在工作結(jié)束之后應(yīng)該將孔內(nèi)的鉆具取出，且需要在孔內(nèi)完成篩管工作，通過將安插抽放管達(dá)到對(duì)瓦斯的抽采工作，等到工作一定程度開始進(jìn)行局部防突方式檢驗(yàn)，在進(jìn)行作業(yè)的過程中，抽采時(shí)間和抽放半徑呈相應(yīng)的增加或者減小趨勢(shì)，若能夠滿足要求，則可以開始煤巷掘進(jìn)，否則需要進(jìn)行對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采。

突出煤層具有的特點(diǎn)是含有的瓦斯量高，且壓力較大，煤層結(jié)構(gòu)分布不均勻等，通過用水進(jìn)行洗刷的工作方式，在鉆孔的時(shí)候容易遇到卡鉆或者噴孔的問題。所以，應(yīng)該選用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)方式，也就是通過螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行對(duì)硬質(zhì)煤層的破碎工作，其中螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過壓縮機(jī)將風(fēng)進(jìn)行壓縮后產(chǎn)生的動(dòng)能，壓風(fēng)帶動(dòng)沖洗液進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此外，能夠?qū)Χㄏ蜚@孔實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在鉆孔過程中隨時(shí)對(duì)孔壁進(jìn)行沖洗，大大提高了鉆孔的效率以及增加了孔深。突出煤層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)對(duì)瓦斯抽采效率低，且抽采后不能滿足要求等，采用將水通過壓縮產(chǎn)生壓力對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗等方法，從而能夠大大提高抽采效率，減小在抽采過程中所耗費(fèi)的時(shí)間和精力。

3 空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)關(guān)鍵裝備

3.1 空氣螺桿馬達(dá)

在進(jìn)行碎軟煤層鉆孔時(shí)，空氣螺桿馬達(dá)對(duì)其成孔質(zhì)量的高低影響非常大，面對(duì)該種情形，空氣螺桿馬達(dá)采用小直徑進(jìn)行布置，選用的參數(shù)為：長(zhǎng)度和直徑分別為4 m 和73 mm，彎角1.25°，其優(yōu)勢(shì)是能夠有效地運(yùn)用于低壓力啟動(dòng)場(chǎng)合的需要，且工作壽命比較長(zhǎng)，在馬達(dá)定子外圍布置了螺旋槽，能夠起到排渣的作用[2]。

3.2 防爆礦用井下螺桿壓縮機(jī)

通常情況下，壓風(fēng)輸出壓力不高于0.75 MPa，這樣的壓力值并不能達(dá)到馬達(dá)正常工作以及在鉆孔過程中排渣任務(wù)，通過分析研究得出，應(yīng)該采用MLGF17/12.5-132G 型壓縮機(jī)進(jìn)行工作，配有輸出壓力1.25 MPa，輸出流量 17 m3/min。

3.3 定向鉆機(jī)

該礦選用的鉆機(jī)型號(hào)為ZDY6000LD（F），該設(shè)備的機(jī)構(gòu)比較緊湊，工作強(qiáng)度大，最高能達(dá)到6 000 N·m的扭矩，符合空氣復(fù)合定向鉆孔過程的需要，如表1所示為該型號(hào)的設(shè)備相關(guān)參數(shù)。

表1 ZDY6000LD（F）型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 工程實(shí)踐

4.1 鉆孔設(shè)計(jì)

在21608 軌道順槽和21601 運(yùn)輸順槽鉆場(chǎng)作業(yè)，對(duì)16 號(hào)煤層通過采用順煤層鉆孔的方式來進(jìn)行，可以達(dá)到對(duì)煤巷條帶實(shí)現(xiàn)掩護(hù)的效果。在迎頭進(jìn)行鉆場(chǎng)的規(guī)劃，根據(jù)相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，對(duì)各鉆場(chǎng)安插有7 個(gè)鉆孔，且位置處于煤層中部，對(duì)鉆孔軌跡控制在掘進(jìn)的方向，鉆孔的深度設(shè)為300 m，且需要在兩側(cè)覆蓋20 m 左右。依據(jù)16 號(hào)煤層中瓦斯分布的情況，將孔間距和孔徑分別設(shè)置為4 m 和108 mm。工作結(jié)束以后需要進(jìn)行護(hù)孔操作，依靠下篩管來完成該過程，從而能夠保證瓦斯抽采的質(zhì)量。

鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)定向鉆進(jìn)段和套管段進(jìn)行考慮，孔口套管段通過使用組合開孔的形式進(jìn)行，選擇鉆頭和鉆桿分別為Φ108 mmPDC 和Φ73 mm的組合，當(dāng)?shù)竭_(dá)15 m 的位置處停止鉆進(jìn)，接著選用擴(kuò)孔鉆進(jìn)行依次擴(kuò)孔，選擇的擴(kuò)孔鉆參數(shù)為Φ133 mm、Φ153 mm、Φ193 mm，結(jié)尾操作是下入套管，套管選用的參數(shù)為Φ127 mm，在套管中注漿，待1 d 以上的時(shí)間用其進(jìn)行凝固。在定向鉆進(jìn)段使用的鉆具組合為測(cè)量探管（YHD2-1000(A)）、定向鉆頭（Φ108 mm）、上無磁鉆桿（Φ73 mm）、下無磁鉆桿（Φ73 mm）、大通孔送風(fēng)器、通纜鉆桿（Φ73 mm），起作用是對(duì)全部定向孔段進(jìn)行相關(guān)任務(wù)作業(yè)。

4.2 施工難點(diǎn)

1）鉆孔軌跡精確控制。在煤巷的指定位置處由于不能確定頂?shù)装逖由斓那闆r，斷層處出現(xiàn)排布不均勻現(xiàn)象導(dǎo)致煤層的局部位置處厚點(diǎn)減小，嚴(yán)重時(shí)斷裂，在孔段的周圍倒塌會(huì)產(chǎn)生鉆孔路線的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)生變更，這些問題都會(huì)影響順煤層定向鉆進(jìn)，會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)不能夠正常進(jìn)行的現(xiàn)象。

2）下斜孔高效排渣。通過負(fù)角度的形式在煤巷中延伸，出現(xiàn)在下斜孔孔內(nèi)排渣任務(wù)空難，導(dǎo)致作業(yè)過程的效率降低，再加上空氣不具有高效的攜渣能力，因此，如何在鉆孔的過程中及時(shí)進(jìn)行排渣任務(wù)是作業(yè)中的重中之重。

3）空氣螺桿馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)樵诳諝饴輻U馬達(dá)在工作的過程中要求較高，需要很高的流速，再加上空氣不能夠形成一個(gè)很好的散熱和潤(rùn)滑環(huán)境，鉆孔過程相關(guān)的參數(shù)不能很好地匹配導(dǎo)致馬達(dá)出現(xiàn)制動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)出現(xiàn)重大事故。

4.3 施工情況

4.3.1 21608 軌道順槽鉆場(chǎng)施工情況

21608 軌道順槽鉆場(chǎng)是在2021 年的5 月份開始相關(guān)工程的實(shí)施，在當(dāng)年9 月竣工，在整個(gè)工程下完成了9 個(gè)定向鉆孔，其中分為7 個(gè)主孔和2 個(gè)分支孔。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，總鉆孔深度達(dá)到3 929 m，300 m以上的鉆孔成功率為88.9%。通過采用定向鉆孔的形式對(duì)鎖定區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋，為了保證在煤層中不會(huì)出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶，圖1 所示為實(shí)際工作過程中的鉆孔路線。

圖1 21608 軌道順槽鉆場(chǎng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)孔實(shí)鉆軌跡平面圖

在鉆場(chǎng)工作過程中的第一個(gè)鉆孔為4 號(hào)鉆孔，采用開分支技術(shù)分析研究頂?shù)装鍫顟B(tài)，確保鉆孔路線能夠很好的沿著煤層方向，選擇最大為8 個(gè)開分支進(jìn)行。在進(jìn)行鉆進(jìn)過程中，選擇空氣作為排渣介質(zhì)，有利于出現(xiàn)噴孔的強(qiáng)度和次數(shù)減小，其原理是在進(jìn)行鉆孔時(shí)空氣對(duì)孔壁的干擾不大，再加上空氣和瓦斯形成的濃度差不高，在孔壁形成的瓦斯可以在孔外進(jìn)行排放，通過壓風(fēng)作為動(dòng)力，從而確保噴孔的出現(xiàn)，大大改善了成孔的深度和效率。

4.3.2 21601 運(yùn)輸順槽鉆場(chǎng)施工情況

21601 運(yùn)輸順槽鉆場(chǎng)在2021 年8 月開始相關(guān)工程的實(shí)施，在當(dāng)年的10 月竣工，該項(xiàng)工程定向鉆孔個(gè)數(shù)達(dá)到11 個(gè)，其中分支孔和主孔分別為3 個(gè)和8 個(gè)，總鉆孔深度達(dá)到4 524 m，300 m 以上的鉆孔成功率為75%，如圖2 所示為實(shí)際過程中的鉆孔圖。

圖2 21601 運(yùn)輸順槽鉆場(chǎng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)孔實(shí)鉆軌跡平面圖

因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)巷道作業(yè)時(shí)煤層的傾斜角為-3°，確保在下斜孔能夠順利進(jìn)行排渣，通過結(jié)合復(fù)合強(qiáng)排渣措施，在鉆具的高速旋轉(zhuǎn)下使鉆渣懸空，加上對(duì)顆粒較大的鉆渣進(jìn)行碾壓，大大減少鉆渣沉積的現(xiàn)象，在壓風(fēng)的作用下及時(shí)地排出鉆渣。該措施的使用能夠?yàn)?1061 鉆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速排渣，且提高鉆孔深度和鉆孔效率。

4.4 瓦斯抽采效果分析

21608 軌道順槽鉆場(chǎng)中的瓦斯密度較大，位于原始瓦斯位置。在2021 年9 月底在該鉆場(chǎng)中開始集中連抽，到次年2 月竣工，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平均瓦斯抽采純量2.74 m3/min。鉆場(chǎng)瓦斯抽采在初期瓦斯純量在3.1 m3/min 左右，其濃度高于75%。工作逐漸進(jìn)行中，其瓦斯的濃度和純量開始降低，然而降低的速度非常慢，到次年的2 月10 日，瓦斯?jié)舛纫恢狈€(wěn)定在43.7%，從而到達(dá)了長(zhǎng)期抽采的目的。月開始集中連抽，在次年的2 月，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采42萬m3。在進(jìn)行作業(yè)初期，瓦斯的純量保持在2.9 m3/min 左右波動(dòng)，濃度高于68%。面對(duì)鉆孔作業(yè)的進(jìn)行，可以看出瓦斯抽采濃度和純量都在逐漸下降。

5 結(jié)論

1）在煤巷中進(jìn)行瓦斯抽采工作時(shí)，采用定向長(zhǎng)鉆孔的措施能夠起到有效作用，其優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆孔路線的提前調(diào)整，瓦斯抽采后的質(zhì)量保證等，該方式的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)煤層中的瓦斯預(yù)先解決，最終達(dá)到有效減小瓦斯抽采成本的目的。

2）采用空氣復(fù)合定向鉆孔方法，可以達(dá)到在碎軟煤層進(jìn)行有效鉆孔任務(wù)，通過將空氣作為鉆進(jìn)介質(zhì)，輔助馬達(dá)進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)一步解決了高效排渣的問題，大大減小了在鉆孔過程中出現(xiàn)的噴孔現(xiàn)象，有力提高成孔效率和深度。

3）在進(jìn)行瓦斯抽采結(jié)果顯示，采用定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)進(jìn)行抽采工作，在21608 軌道順槽鉆場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)高效長(zhǎng)期的抽采工作；21601 運(yùn)輸順槽鉆場(chǎng)進(jìn)行抽采工作結(jié)果表明，能夠達(dá)到42 萬m3，通過區(qū)域性審核后，可以進(jìn)行正常作業(yè)。