水平定向鉆孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優(yōu)勢(shì)探討

何建華，張進(jìn)軍，昝軍才，許 超

(1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西咸陽(yáng)712000;2.陜西彬長(zhǎng)集團(tuán)大佛寺礦業(yè)公司，陜西彬縣713500;3.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

水平定向鉆孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優(yōu)勢(shì)探討

何建華1，張進(jìn)軍2，昝軍才2，許 超3

(1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西咸陽(yáng)712000;2.陜西彬長(zhǎng)集團(tuán)大佛寺礦業(yè)公司，陜西彬縣713500;3.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

煤礦井下水平定向鉆孔在煤礦瓦斯抽采中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)大佛寺煤礦常規(guī)鉆孔工作面瓦斯治理技術(shù)的分析，指出了其中不足;經(jīng)過(guò)對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝、布孔技術(shù)進(jìn)行分析以及通過(guò)大佛寺煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出定向長(zhǎng)鉆孔有利于實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯區(qū)域集中抽采的結(jié)論;瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析對(duì)比證明定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效率要明顯優(yōu)于常規(guī)鉆孔。

水平定向鉆進(jìn);瓦斯抽采;區(qū)域集中抽采;抽采效率;大佛寺煤礦

1 概述

煤礦井下水平隨鉆定向鉆進(jìn)(以下簡(jiǎn)稱“定向鉆進(jìn)”)技術(shù)及裝備是近幾年來(lái)新興的一種主要應(yīng)用于煤礦井下本煤層瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔施工的鉆孔工藝技術(shù)和配套設(shè)備。與常規(guī)鉆孔(指主要采用水鉆、風(fēng)鉆和螺旋鉆等采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工的鉆孔［1］)相比，定向鉆進(jìn)具有軌跡可實(shí)時(shí)精確控制、可施工分支鉆孔等技術(shù)特點(diǎn)，具有大深度、高穿煤率、高抽采效率、有利于大范圍區(qū)域集中抽采、一孔多用等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［2，3］。

陜西彬長(zhǎng)大佛寺煤礦瓦斯治理始終堅(jiān)持“抽放為主、風(fēng)排為輔”的方針，在采前預(yù)抽方面，大佛寺煤礦結(jié)合自身特點(diǎn)，形成了多項(xiàng)瓦斯治理技術(shù)。大佛寺煤礦自2006年8月投產(chǎn)以來(lái)，隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，原有的采前瓦斯預(yù)抽技術(shù)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前生產(chǎn)需要。為了滿足新時(shí)期煤礦安全生產(chǎn)需要，大佛寺煤礦于2011年6月引進(jìn)了一套ZDY6000LD型定向鉆機(jī)及配套裝備，并于當(dāng)年7月開(kāi)始應(yīng)用于該礦本煤層瓦斯抽采鉆孔施工，截止2011年12月，從鉆進(jìn)及抽采效果來(lái)看，該套技術(shù)及裝備的應(yīng)用取得了成功。

2 大佛寺煤礦工作面瓦斯原有區(qū)域預(yù)抽技術(shù)概況

大佛寺煤礦采前瓦斯預(yù)抽作業(yè)主要技術(shù)主要特點(diǎn)是在工作面布置大量鉆孔，通過(guò)大范圍管路連接進(jìn)行工作面瓦斯預(yù)抽。采前預(yù)抽布孔工藝主要包括:扇形布孔、傾向布孔和常規(guī)長(zhǎng)鉆孔布孔(見(jiàn)圖1)。

2.1 扇形布孔

在工作面順槽每間隔180 m，布置一組扇形采前預(yù)抽鉆孔，每組含鉆孔15個(gè)，孔口間距1 m，孔深160～220 m，孔徑113 mm。布孔原理如圖1(a)所示。

扇形布孔可較有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)抽鉆孔的集中施工和瓦斯集中抽采，有利于降低鉆進(jìn)中設(shè)備搬遷勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)約預(yù)抽管路布置。然而這種布孔方法存在鉆孔重疊施工和抽采盲區(qū)等問(wèn)題，鉆孔重疊施工增加了鉆進(jìn)工作量，抽采盲區(qū)問(wèn)題需要通過(guò)在鉆場(chǎng)之間補(bǔ)加鉆孔來(lái)解決，不利于高效鉆進(jìn)、集中抽采和節(jié)約成本;同時(shí)，扇形布置的鉆孔呈放射形分布，開(kāi)孔端鉆孔集中，終孔端鉆孔分散，這導(dǎo)致回順一側(cè)瓦斯抽采鉆孔密度要明顯低于運(yùn)順一側(cè)，不利于工作面全面瓦斯綜合治理。

圖1 大佛寺原有采前預(yù)抽布孔工藝

2.2 傾向布孔

在工作面運(yùn)、回順每間隔5 m布置一組預(yù)抽鉆孔，每組鉆孔2個(gè)，孔深160～180 m，孔徑113 mm。布孔原理如圖1(b)所示。

傾向布置的鉆孔可有效覆蓋整個(gè)工作面，達(dá)到很好地采前預(yù)抽效果。然而這種布孔方法鉆孔施工量極大;鉆孔均勻地布置在順槽兩側(cè)，設(shè)備搬遷工作量大，不利于鉆孔集中施工及瓦斯集中抽采。

2.3 常規(guī)長(zhǎng)鉆孔布孔

在輔助運(yùn)輸大巷及工作面中部布置常規(guī)長(zhǎng)鉆孔施工鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置2個(gè)鉆孔，孔口間距2 m，孔深800 m，鉆孔直徑200 mm。常規(guī)長(zhǎng)鉆孔布孔方法如圖1(c)所示。

由圖1(c)所以看出，這種布孔方法存在大面積的抽采盲區(qū)，對(duì)于采面瓦斯全面治理意義不大;從鉆進(jìn)施工角度來(lái)看，施工800 m的常規(guī)鉆孔存在難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、效率低等不利因素，因此這種方法不宜推廣。

2.4 小結(jié)

大佛寺煤礦現(xiàn)有可行的工作面瓦斯布孔技術(shù)普遍存在鉆孔施工工作量大、鉆進(jìn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、不利于集中抽采等問(wèn)題。為此，大佛寺煤礦嘗試采用本煤層定向長(zhǎng)鉆孔來(lái)改善當(dāng)前瓦斯抽采現(xiàn)狀。

3 定向鉆進(jìn)技術(shù)

3.1 定向鉆進(jìn)系統(tǒng)裝備

大佛寺煤礦引進(jìn)的定向鉆進(jìn)系統(tǒng)裝備主要部件組成如表1所示，系統(tǒng)連接如圖2所示。

表1 定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備組成

圖2 煤礦井下水平定向鉆進(jìn)系統(tǒng)連接示意

3.2 定向鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)

定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是:鉆孔軌跡實(shí)時(shí)精確控制和開(kāi)分支孔功能。定向鉆進(jìn)施工人員可根據(jù)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)顯示的鉆孔軌跡狀態(tài)信息，調(diào)整孔底馬達(dá)彎頭朝向，通過(guò)鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的人為控制;定向鉆進(jìn)中可通過(guò)“低速磨削分支法”和“高速反復(fù)磨削分支法”［4］兩種懸空開(kāi)分支工藝實(shí)現(xiàn)本煤層分支鉆孔施工，分支鉆孔包括從主孔開(kāi)出的“一級(jí)分支鉆孔”和從分支孔中開(kāi)出的“次級(jí)分支鉆孔”。

3.3 本煤層定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)

目前最有效且應(yīng)用最廣的本煤層長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝技術(shù)為:“探頂—開(kāi)分支—再探頂—再分支…”的鉆進(jìn)工藝［4］，如圖3所示。該方法的特點(diǎn)就是在鉆進(jìn)過(guò)程中，每鉆進(jìn)一定距離(一般為60～100 m)進(jìn)行一次人為主動(dòng)探頂，以探測(cè)頂板起伏情況，再提鉆一定距離(一般為18～24 m)開(kāi)分支孔，使鉆孔在頂板下的煤層中向前延伸鉆進(jìn)，如此不斷重復(fù)施工，直至鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深。這種長(zhǎng)鉆孔施工方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可準(zhǔn)確探測(cè)煤層頂板走勢(shì)，確定鉆孔空間位置，保證鉆孔在煤層中延伸;

(2)避免了盲目鉆進(jìn)，提高了鉆孔穿煤率和鉆進(jìn)效率;

(3)為臨近鉆孔設(shè)計(jì)、施工提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

圖3“探頂—開(kāi)分支—再探頂—再分支…”鉆進(jìn)工藝原理示意

3.4 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯區(qū)域預(yù)抽布孔及抽采技術(shù)

結(jié)合定向鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)以及本煤層長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)形成了“集束”［2］狀鉆孔布置及大面積集中抽采技術(shù)，原理如圖4所示。這種布孔方法只需極少數(shù)的鉆場(chǎng)布置(以一個(gè)長(zhǎng)2000 m、寬200 m的綜采工作面為例，只需布置2～3個(gè)定向鉆進(jìn)鉆場(chǎng)即可滿足工作面瓦斯區(qū)域抽采定向鉆孔施工的需要)，在每個(gè)鉆場(chǎng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)施工布滿工作面的定向鉆孔，即可實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯區(qū)域抽采。該技術(shù)具有:鉆孔集中施工、瓦斯抽采率高、鉆進(jìn)效率高、可實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域集中抽采等優(yōu)勢(shì)。

圖4“集束”狀鉆孔布置及大面積集中抽采技術(shù)原理示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 瓦斯概況

定向鉆進(jìn)施工位于大佛寺煤礦40109工作面1號(hào)鉆場(chǎng)，該區(qū)域主采煤層為4號(hào)煤層，屬特厚煤層，平均11.65 m，煤層瓦斯含量6.305 m3t，絕對(duì)瓦斯壓力0.60 MPa，百米鉆孔(常規(guī)鉆孔)瓦斯抽采流量0.029 m3min，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.03 d－1。

4.2 施工情況

圖5為40109工作面定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖，共完成3個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔詳情如表2所示。

圖5 40109工作面定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面

表2 40109工作面定向長(zhǎng)鉆孔相關(guān)參數(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備具有鉆孔軌跡人為精確控制及開(kāi)分支孔技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔集束狀布置設(shè)計(jì)和施工，實(shí)現(xiàn)了工作面瓦斯大面積區(qū)域集中抽采;同時(shí)，“探頂—開(kāi)分支—再探頂—再分支…”的鉆進(jìn)工藝(如圖6所示)，既保證鉆孔完全在煤層中延伸，又有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鉆孔施工。

圖6 3號(hào)鉆孔剖面軌跡

4.3 抽采效果分析

鉆孔完工后，分別對(duì)2號(hào)和3號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)采集和記錄，記錄時(shí)間自2011年9月1日起至2011年12月13日，歷時(shí)104天。2號(hào)鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量達(dá)到525031 m3，日平均抽采量達(dá)到5048 m3;3號(hào)鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量達(dá)到679104 m3，日平均抽采量達(dá)到6530 m3。

圖7 百米鉆孔瓦斯流量變化曲線

圖7為2個(gè)鉆孔每百米瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間變化曲線。由圖中可以看出，定向長(zhǎng)鉆孔每百米瓦斯抽采流量平均達(dá)到0.2 m3min以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于附近常規(guī)鉆孔每百米0.029 m3min的瓦斯抽采流量。可見(jiàn)，定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)于提高瓦斯抽采效率具有顯著的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)定向長(zhǎng)鉆孔“集束”狀布孔工藝可很好地滿足了煤礦井下工作面瓦斯抽采鉆孔集中施工及瓦斯區(qū)域集中抽采的需要。

(2)大佛寺煤礦本煤層定向長(zhǎng)鉆孔較常規(guī)鉆孔對(duì)于提高瓦斯抽采效率具有顯著優(yōu)勢(shì)。

［1］石智軍，胡少韻，姚寧平，等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］石智軍，姚寧平，葉根飛.煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)與裝備［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(7):1－4.

［3］石智軍.煤礦坑道近水平鉆探機(jī)具與定向鉆進(jìn)技術(shù)［A］.煤科總院50年院慶論文集［C］.2007.

［4］許超，李泉新，劉建林，等.煤礦瓦斯抽采定向長(zhǎng)鉆孔高效成孔工藝研究［J］.金屬礦山，2011，(6):39－54.

Discussion of the Advantages of Horizontal Directional Borehole for Gas Drainage in Dafosi Coal Mine

HE Jianhua1，ZHANG Jin-jun2，ZAN Jun-cai2，XU Chao3(1.Shaanxi Binchang Mining Group Co.，Ltd.，Xianyang Shaanxi 712000，China;2.Dafosi Mining Co.，Shaanxi Binchang Mining Group，Binxian Shaanxi 713500，China;3.Xi’an Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group Co.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

Underground horizontal directional borehole in coal mine has more technological advantages than the conventional bore hole in gas drainage.This paper analyzed the gas control technology of working face in conventional borehole of Dafosi coal mine with the disadvantages being pointed out.Based on the analysis on the drilling technology and borehole arrangement of long directional borehole and the field application，the conclusion is that the directional borehole is good for the centralized regional gas drainage in the working face.The data of the gas drainage proves that the gas drainage efficiency of the directional borehole is better than the conventional borehole.

horizontal directional drilling;gas drainage;centralized regional gas drainage;drainage efficiency;Dafosi coal mine

P634.7

A

1672－7428(2012)08－0036－03

2012－03－27

何建華(1965－)，男(漢族)，安徽碭山人，陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司通風(fēng)部副經(jīng)理、工程師，采礦工程專(zhuān)業(yè)，從事煤礦瓦斯安全管理工作，陜西省咸陽(yáng)市世紀(jì)大道中段58號(hào)彬長(zhǎng)大廈。