突出煤層條帶瓦斯定向鉆孔預抽技術研究

崔 振

（晉能控股集團寺河煤礦， 山西 晉城 048205）

1 某礦地質概況

晉能控股集團對某礦進行調查發現，該礦中煤和瓦斯突出，其中16 號和18 號煤層可采，17 號煤層只能進行局部開采，該礦井通過保護層的形式來進行，保護層為16 號，通過調查可以發現能夠進行作業的平均厚度是2.88 m，17 號和18 號煤層的可作業厚度分別為1.20 m 和3.18 m。在開采煤層的過程中，常常會遇到瓦斯的濃度較高、結構斷裂等情況，造成對瓦斯抽采的過程比較麻煩。

對該礦存在的煤巷條帶預抽問題進行分析研究，通過采用底抽巷和穿層鉆孔相結合的方式來對瓦斯抽取，也就是初步對地板構建底抽巷，采用上覆巖層卸壓的方式，可以很好地提升煤層透氣性，進而在底抽巷作業的過程中進行鉆孔，在將要掘進的巷道和周邊的范圍進行全面觸及。作業過程中出現的問題就是成本較高，所耗費的精力較大，此外，因為該礦的煤層分布的距離較小，礦場內的機構較亂，煤層分布不均勻，當進行底抽巷工作時，將會出現誤揭煤等現象，導致瓦斯爆發，嚴重威脅人身安全。

2 瓦斯技術原理

通過采用鉆孔的方式進行瓦斯預抽能夠有效地解決煤和瓦斯產生的安全隱患。在進行作業之前，采用瓦斯抽采的方式能夠大幅減小瓦斯的密度，將瓦斯存在的優勢顯示出來，從而達到煤巷條帶在短時間內解決的計劃。在進行定向鉆孔時，由于可以對預鉆軌道進行提前控制，且定向鉆孔深度大等好處，在進行瓦斯抽采作業時得到普遍的使用，在2019 年相關規定中表明，針對區域化突出措施，可以通過定向長鉆孔的方式來進行對瓦斯的抽采工作[1]。

在煤巷條帶掘進迎進行作業位置規劃，對鉆場進行部署，在工作過程中應該保證鉆孔覆蓋待掘巷道的距離應該高于300 m。通過對煤層相關的參數規定確定鉆孔之間的距離，從而能夠保證位于兩個鉆孔之間不會出現空白帶，依照瓦斯密度以及煤層硬度等相關參數來安排鉆孔直徑的參數。在進行鉆孔作業時，采用開分支方式來勘探頂底板的實時，不僅還能夠有效提升鉆遇率，還保證了瓦斯抽采順利進行。在工作結束之后應該將孔內的鉆具取出，且需要在孔內完成篩管工作，通過將安插抽放管達到對瓦斯的抽采工作，等到工作一定程度開始進行局部防突方式檢驗，在進行作業的過程中，抽采時間和抽放半徑呈相應的增加或者減小趨勢，若能夠滿足要求，則可以開始煤巷掘進，否則需要進行對瓦斯進行抽采。

突出煤層具有的特點是含有的瓦斯量高，且壓力較大，煤層結構分布不均勻等，通過用水進行洗刷的工作方式，在鉆孔的時候容易遇到卡鉆或者噴孔的問題。所以，應該選用空氣復合定向鉆進方式，也就是通過螺桿馬達的轉動來進行對硬質煤層的破碎工作，其中螺桿馬達的轉動是通過壓縮機將風進行壓縮后產生的動能，壓風帶動沖洗液進行驅動，此外，能夠對定向鉆孔實現預定軌跡的調整，從而實現在鉆孔過程中隨時對孔壁進行沖洗，大大提高了鉆孔的效率以及增加了孔深。突出煤層經常會出現對瓦斯抽采效率低，且抽采后不能滿足要求等，采用將水通過壓縮產生壓力對鉆孔進行沖洗等方法，從而能夠大大提高抽采效率，減小在抽采過程中所耗費的時間和精力。

3 空氣復合定向鉆進關鍵裝備

3.1 空氣螺桿馬達

在進行碎軟煤層鉆孔時，空氣螺桿馬達對其成孔質量的高低影響非常大，面對該種情形，空氣螺桿馬達采用小直徑進行布置，選用的參數為：長度和直徑分別為4 m 和73 mm，彎角1.25°，其優勢是能夠有效地運用于低壓力啟動場合的需要，且工作壽命比較長，在馬達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

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

3.3 定向鉆機

該礦選用的鉆機型號為ZDY6000LD（F），該設備的機構比較緊湊，工作強度大，最高能達到6 000 N·m的扭矩，符合空氣復合定向鉆孔過程的需要，如表1所示為該型號的設備相關參數。

表1 ZDY6000LD（F）型鉆機技術參數

4 工程實踐

4.1 鉆孔設計

在21608 軌道順槽和21601 運輸順槽鉆場作業，對16 號煤層通過采用順煤層鉆孔的方式來進行，可以達到對煤巷條帶實現掩護的效果。在迎頭進行鉆場的規劃，根據相關參數的規定，對各鉆場安插有7 個鉆孔，且位置處于煤層中部，對鉆孔軌跡控制在掘進的方向，鉆孔的深度設為300 m，且需要在兩側覆蓋20 m 左右。依據16 號煤層中瓦斯分布的情況，將孔間距和孔徑分別設置為4 m 和108 mm。工作結束以后需要進行護孔操作，依靠下篩管來完成該過程，從而能夠保證瓦斯抽采的質量。

鉆孔的結構設計可以根據定向鉆進段和套管段進行考慮，孔口套管段通過使用組合開孔的形式進行，選擇鉆頭和鉆桿分別為Φ108 mmPDC 和Φ73 mm的組合，當到達15 m 的位置處停止鉆進，接著選用擴孔鉆進行依次擴孔，選擇的擴孔鉆參數為Φ133 mm、Φ153 mm、Φ193 mm，結尾操作是下入套管，套管選用的參數為Φ127 mm，在套管中注漿，待1 d 以上的時間用其進行凝固。在定向鉆進段使用的鉆具組合為測量探管（YHD2-1000(A)）、定向鉆頭（Φ108 mm）、上無磁鉆桿（Φ73 mm）、下無磁鉆桿（Φ73 mm）、大通孔送風器、通纜鉆桿（Φ73 mm），起作用是對全部定向孔段進行相關任務作業。

4.2 施工難點

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底板延伸的情況，斷層處出現排布不均勻現象導致煤層的局部位置處厚點減小，嚴重時斷裂，在孔段的周圍倒塌會產生鉆孔路線的相關數據發生變更，這些問題都會影響順煤層定向鉆進，會出現鉆進不能夠正常進行的現象。

2）下斜孔高效排渣。通過負角度的形式在煤巷中延伸，出現在下斜孔孔內排渣任務空難，導致作業過程的效率降低，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進行排渣任務是作業中的重中之重。

3）空氣螺桿馬達正常運轉。因為在空氣螺桿馬達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很好的散熱和潤滑環境，鉆孔過程相關的參數不能很好地匹配導致馬達出現制動現象，嚴重會導致孔內出現重大事故。

4.3 施工情況

4.3.1 21608 軌道順槽鉆場施工情況

21608 軌道順槽鉆場是在2021 年的5 月份開始相關工程的實施，在當年9 月竣工，在整個工程下完成了9 個定向鉆孔，其中分為7 個主孔和2 個分支孔。根據調查發現，總鉆孔深度達到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鎖定區域進行全面覆蓋，為了保證在煤層中不會出現瓦斯抽采空白帶，圖1 所示為實際工作過程中的鉆孔路線。

圖1 21608 軌道順槽鉆場試驗轉孔實鉆軌跡平面圖

在鉆場工作過程中的第一個鉆孔為4 號鉆孔，采用開分支技術分析研究頂底板狀態，確保鉆孔路線能夠很好的沿著煤層方向，選擇最大為8 個開分支進行。在進行鉆進過程中，選擇空氣作為排渣介質，有利于出現噴孔的強度和次數減小，其原理是在進行鉆孔時空氣對孔壁的干擾不大，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行排放，通過壓風作為動力，從而確保噴孔的出現，大大改善了成孔的深度和效率。

4.3.2 21601 運輸順槽鉆場施工情況

21601 運輸順槽鉆場在2021 年8 月開始相關工程的實施，在當年的10 月竣工，該項工程定向鉆孔個數達到11 個，其中分支孔和主孔分別為3 個和8 個，總鉆孔深度達到4 524 m，300 m 以上的鉆孔成功率為75%，如圖2 所示為實際過程中的鉆孔圖。

圖2 21601 運輸順槽鉆場試驗轉孔實鉆軌跡平面圖

因為發現巷道作業時煤層的傾斜角為-3°，確保在下斜孔能夠順利進行排渣，通過結合復合強排渣措施，在鉆具的高速旋轉下使鉆渣懸空，加上對顆粒較大的鉆渣進行碾壓，大大減少鉆渣沉積的現象，在壓風的作用下及時地排出鉆渣。該措施的使用能夠為21061 鉆場實現快速排渣，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 月底在該鉆場中開始集中連抽，到次年2 月竣工，通過調查發現，平均瓦斯抽采純量2.74 m3/min。鉆場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，瓦斯濃度一直穩定在43.7%，從而到達了長期抽采的目的。月開始集中連抽，在次年的2 月，實現了瓦斯抽采42萬m3。在進行作業初期，瓦斯的純量保持在2.9 m3/min 左右波動，濃度高于68%。面對鉆孔作業的進行，可以看出瓦斯抽采濃度和純量都在逐漸下降。

5 結論

1）在煤巷中進行瓦斯抽采工作時，采用定向長鉆孔的措施能夠起到有效作用，其優勢是能夠實現對鉆孔路線的提前調整，瓦斯抽采后的質量保證等，該方式的運用能夠實現煤層中的瓦斯預先解決，最終達到有效減小瓦斯抽采成本的目的。

2）采用空氣復合定向鉆孔方法，可以達到在碎軟煤層進行有效鉆孔任務，通過將空氣作為鉆進介質，輔助馬達進行作業，進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的噴孔現象，有力提高成孔效率和深度。

3）在進行瓦斯抽采結果顯示，采用定向長鉆孔技術進行抽采工作，在21608 軌道順槽鉆場可以實現高效長期的抽采工作；21601 運輸順槽鉆場進行抽采工作結果表明，能夠達到42 萬m3，通過區域性審核后，可以進行正常作業。