井下定向長鉆孔高效治理瓦斯技術(shù)研究

摘 要：近年來，煤礦隨著采場(chǎng)向深部延伸，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重程度和治理難度在不斷增大，迫切需要在瓦斯治理的裝備和技術(shù)上進(jìn)行開拓創(chuàng)新，提高瓦斯治理效率和效果。本文主要介紹定向長鉆孔治理采空區(qū)瓦斯施工工藝要點(diǎn)和特點(diǎn)，旨在給礦井瓦斯治理提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：高位鉆孔；高端設(shè)備；技術(shù)工藝；定向施工；瓦斯抽采

1問題的提出

突出礦井突出煤層高瓦斯工作面采用傳統(tǒng)高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯存在技術(shù)的局限性，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）連續(xù)施工高位鉆場(chǎng)占用掘進(jìn)隊(duì)伍。采用傳統(tǒng)的走向高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，風(fēng)巷每100m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，單個(gè)鉆場(chǎng)巷道工程10m，工作面回采期間需占用一支掘進(jìn)隊(duì)伍連續(xù)施工，且高位鉆場(chǎng)施工均為炮掘和人工出貨，掘進(jìn)效率低。

（2）傳統(tǒng)高位鉆孔有效利用率低。高位鉆孔有效抽采段在裂隙帶，但傳統(tǒng)高位鉆孔從煤層頂板5m左右穿層施工至目標(biāo)層位，大量鉆孔處于裂隙帶以下的抽采效果不佳或無效的冒落帶。經(jīng)考察，140m的鉆孔有效抽采段長度僅50m左右。

（3）頻繁過鉆場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)高。工作面過鉆場(chǎng)時(shí)，該鉆場(chǎng)高位鉆孔已失去作用，而下一輪高位鉆孔剛剛進(jìn)入有效抽采范圍，抽采效果不佳，致使大量采空區(qū)瓦斯涌入工作面，易造成瓦斯預(yù)警或超限事故。同時(shí)過鉆場(chǎng)時(shí)，頂板管理難度大，鉆場(chǎng)封堵垛袋勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患多。

2 定向高位長鉆孔簡(jiǎn)介

為補(bǔ)齊高位鉆孔短板弱項(xiàng)，祁南礦積極應(yīng)用了長距離定向鉆孔技術(shù)，利用其鉆孔軌跡可控、鉆孔深度大的優(yōu)勢(shì)，取代了傳統(tǒng)的高位鉆孔，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)瓦斯的高效治理。

3 應(yīng)用實(shí)例

祁南煤礦在34下6工作面大力發(fā)展定向鉆進(jìn)先進(jìn)適用技術(shù)，通過不斷完善施工工藝，強(qiáng)化管理，實(shí)現(xiàn)了高位鉆孔一鉆到位、篩管到底，取代了傳統(tǒng)的高位鉆孔。

3.1工作面概況

34下6工作面位于34下采區(qū)第六區(qū)段，工作面走向長1550m，傾向長177m，標(biāo)高（-605m～-718m），回采32煤層平均煤厚3.2m，實(shí)測(cè)3煤層最大原始瓦斯壓力4.0MPa、最大原始瓦斯含量11.2m3/t。煤層直接頂?shù)装鍨槟鄮r護(hù)層，老頂為砂巖頂板，巖性致密，工作面可采儲(chǔ)量117萬噸，為礦井的生產(chǎn)主力面。

（1）精準(zhǔn)采前區(qū)域治理。針對(duì)高瓦斯、高壓力的瓦斯災(zāi)害狀況，該工作面采用穿層鉆孔結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。首先施工底板穿層鉆孔卸壓抽采，然后在機(jī)巷采用大功率履帶鉆機(jī)按照“一孔到位”標(biāo)準(zhǔn)施工順層鉆孔，同時(shí)積極對(duì)標(biāo)抽采“四化”開展示范創(chuàng)建，百孔瓦斯抽采純量最高達(dá)2.0m3/min，成效顯著。經(jīng)區(qū)域治理后，殘余瓦斯壓力和瓦斯含量分別降至0.21MPa和4.25m3/t，消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

（2）精細(xì)回采局部治理?；夭善陂g，嚴(yán)格落實(shí)老塘埋管、高位鉆孔抽采等瓦斯防治措施。根據(jù)抽采效果數(shù)據(jù)考察分析，進(jìn)一步優(yōu)化老塘埋管步距和高位鉆孔設(shè)計(jì)，不斷提高抽采效果?；夭善陂g，配風(fēng)量1800m3/min，平均瓦斯涌出量20m3/min，瓦斯抽采量14m3/min，抽采率70%，杜絕了瓦斯預(yù)警、超限事故。

3.2定向高位施工工藝特點(diǎn)

3.2.1突出源頭設(shè)計(jì)，做細(xì)一體化論證

（1）“一鉆到位”鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)。圍繞定向鉆可行性充分開展安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化論證，按照“一鉆到位”設(shè)計(jì)思路，在全面分析定向鉆施工效率、工作面推進(jìn)速度、高位鉆場(chǎng)接替等因素基礎(chǔ)上，最終確定在收作線外15m處施工施工定向鉆場(chǎng)，全面取代10#鉆場(chǎng)外剩余的高位鉆場(chǎng)。定向鉆場(chǎng)按斜巷段14°上山施工，平臺(tái)尺寸長×寬×高=10m×5.5m×3m，為ZDY-12000LD型大功率鉆機(jī)施工創(chuàng)造條件。

（2）針對(duì)性鉆孔設(shè)計(jì)。在認(rèn)真分析32煤頂板巖性、采空區(qū)裂隙帶發(fā)育基礎(chǔ)上，通過分析比對(duì)高位鉆孔抽采最佳層位，結(jié)合工作面推進(jìn)度，科學(xué)選取32煤頂板上20～24m作為定向鉆孔水平施工目標(biāo)層位，終孔深度700m，傾向上控制到面內(nèi)平距60m位置，共設(shè)計(jì)6個(gè)孔，從設(shè)計(jì)源頭上保證抽采效果最大化。

3.2.2集中優(yōu)質(zhì)資源，確保定向鉆孔“鉆到位、管到底”

（1）“高端化”鉆機(jī)裝備。采用國內(nèi)最先進(jìn)的ZDY-12000LD型鉆機(jī)，BLY460履帶泥漿泵站、YHD3-1500泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)、Φ89mm螺桿馬達(dá)等成套設(shè)備施工定向鉆孔。委派專業(yè)化鉆探隊(duì)伍施工，西安煤科院現(xiàn)場(chǎng)全程進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，保證鉆孔施工效果。

（2）“定制化”鉆進(jìn)施工。34下6工作面32煤層上覆多層泥巖，傳統(tǒng)定向鉆進(jìn)孔內(nèi)易發(fā)生塌孔、抱鉆事故，嚴(yán)重制約鉆孔施工深度。針對(duì)這個(gè)問題，創(chuàng)新使用高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖石結(jié)合鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)施工工藝，增強(qiáng)鉆孔排渣能力，降低鉆孔摩擦阻力，使定向鉆孔深度最大達(dá)到700m。

（3）“信息化”施工監(jiān)管。定向鉆孔通過隨鉆測(cè)量探管將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇卓谟?jì)算機(jī)，形成鉆孔實(shí)鉆軌跡。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及多媒體技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)井下鉆場(chǎng)定向鉆機(jī)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)、相關(guān)文件的井上傳輸及交互共享；管理、監(jiān)督人員可在井上查看指定鉆場(chǎng)施工鉆孔的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、分析與處理，實(shí)現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)上傳的“自動(dòng)化”，以及施工管理的“遠(yuǎn)程化”與“信息化”。同時(shí)還可將軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入巷道地質(zhì)資料CAD圖紙中，方便結(jié)合地質(zhì)資料查看鉆孔施工情況，確認(rèn)鉆孔施工是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？蓪?shí)現(xiàn)當(dāng)前鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的三維顯示，幫助管理人員更直觀的觀察施工鉆孔的空間分布情況。

（4）“精細(xì)化”下篩管。高位定向鉆孔因鉆孔深、單孔使用周期長，一定時(shí)間后會(huì)因?yàn)槟鄮r縮徑、地應(yīng)力集中等原因而塌孔、堵孔造成鉆孔報(bào)廢，所以能否全程下篩管護(hù)孔直接決定了鉆孔的抽采效果。但長期以來受篩管強(qiáng)度（特別是絲扣處）、鉆孔內(nèi)壁臺(tái)階高差、曲率變化等條件制約，導(dǎo)致“孔到位、管不到底”。為進(jìn)一步精細(xì)、優(yōu)化篩管設(shè)計(jì)和下篩管工藝。新型篩管中間為材質(zhì)R780、壁厚6.5mm的Ф50mm篩管，在篩管兩端焊接Ф73mm變徑接頭，同時(shí)對(duì)變徑的絲型進(jìn)行了改進(jìn)，由傳統(tǒng)的錐型絲改進(jìn)為梯形絲，并增加了絲紋的深度，進(jìn)一步提高了篩管絲扣接頭處的強(qiáng)度。下篩管工藝方面，在篩管前端安裝一個(gè)特殊加工的導(dǎo)向鉆頭，引導(dǎo)篩管漸進(jìn)式均衡導(dǎo)入，有效的避免篩管被大曲率孔段以及鉆孔臺(tái)階卡死。若篩管仍被卡死，可以通過回轉(zhuǎn)，利用鉆頭將臺(tái)階磨平，或通過大曲率孔段后繼續(xù)施工。通過以上工藝的實(shí)施，破解了下篩管的瓶頸問題。34下6工作面施工的定向鉆孔，下篩管最深692m，真正實(shí)現(xiàn)了“鉆到位、管到底”，保證了鉆孔抽采的可靠、穩(wěn)定、高效。

4 結(jié)語

通過34下6工作面過實(shí)施定向長距離鉆孔，代替了6個(gè)普通高位鉆場(chǎng)和11400m高位鉆孔，節(jié)省巷道工程60m。經(jīng)過后期工作面回采期間抽采效果考察，采用定向長鉆孔高位鉆孔平均抽采濃度達(dá)到了40%，平均抽采瓦斯純量14m3/min，比傳統(tǒng)高位鉆孔提高了50%，保障了工作面安全高效回采。

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作者簡(jiǎn)介：

王雙劍（1980.01—），男，漢族，安徽省宿州市人，本科，助理工程師，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害治理。