定向高位裂隙長鉆孔施工工藝應(yīng)用

李寶軍，黃興利，焦博朋

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵二號(hào)煤礦屬高瓦斯礦井，同時(shí)又伴有全行業(yè)極為罕見的油型氣災(zāi)害。油型氣與煤層瓦斯不同，其儲(chǔ)集層是煤層頂?shù)装宓纳皫r層，賦存狀態(tài)以游離態(tài)為主，揭露后快速逸散[1-3]。工作面在回采期間，2號(hào)煤層下部的3號(hào)煤層及其圍巖受2號(hào)煤層采動(dòng)影響，致使大量瓦斯(油型氣)解吸并向采空區(qū)逸散，采空區(qū)瓦斯沿著頂板裂隙向上部離層的裂隙去運(yùn)移，而高位裂隙鉆孔就是在綜采工作面回風(fēng)巷頂板向煤層頂板施工的鉆孔。高位裂隙鉆孔瓦斯抽放就是利用工作面回采采動(dòng)壓力形成的裂隙作為通道，在抽采負(fù)壓的作用下，瓦斯沿著裂隙流到抽采管路中[4-7]。為了加強(qiáng)綜采面采空區(qū)瓦斯治理力度，防止上隅角瓦斯超限，自礦井建礦以來一直采用普通鉆機(jī)每間隔50 m在回風(fēng)巷施工一組高位裂隙鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放。而用普通鉆機(jī)施工的鉆孔存在鉆孔數(shù)量多、施工工作量大、單孔深度不足、孔徑小、鉆孔軌跡不可控、人員投入多、鉆孔利用率低、鉆孔抽采時(shí)間短、瓦斯抽采量低等諸多問題。

為解決上述問題，擬采用ZDY6000LD煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，以二號(hào)煤礦207工作面為例，進(jìn)行頂板高位定向長鉆孔施工，用于替代傳統(tǒng)高位裂隙鉆孔，以達(dá)到高效精準(zhǔn)抽采上隅角瓦斯的目的。其中ZDY6000LD鉆機(jī)在順煤層鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)已成熟應(yīng)用，但頂板全巖石定向長鉆孔施工工藝存在較多問題。

1 工程概況

207工作面位于二盤區(qū)的東北部，北至二、四盤區(qū)分界，南至北一一號(hào)輔運(yùn)大巷，西部緊鄰205工作面采空區(qū)，東部緊鄰209工作面，工作面可采長度4 366 m，煤層為一單斜構(gòu)造，傾向西北，地層傾角0～1°，工作面頂板巖性情況見表1。工作面采用U型通風(fēng)方式，隨著工作面的推進(jìn)，需要對各聯(lián)絡(luò)巷及進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷里段(輔運(yùn)巷)進(jìn)行封閉。經(jīng)煤層基礎(chǔ)參數(shù)測定，工作面抽采前煤層瓦斯含量1.13～5.38 m3/t，抽采后煤層瓦斯含量為0.73～2.85 m3/t，

表1 207工作面頂板巖性情況

相對瓦斯涌出量3.38 m3/t，絕對瓦斯涌出量為24.6 m3/min。工作面生產(chǎn)期間瓦斯來源主要為落煤期間產(chǎn)生的瓦斯及采空區(qū)瓦斯，瓦斯管理重點(diǎn)為上隅角，治理重點(diǎn)為采空區(qū)瓦斯抽采，主要措施是上隅角插管抽采及高位裂隙抽采。

2 施工工藝

采用ZDY6000LD定向鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，遇到了鉆進(jìn)阻力大、泥漿泵憋壓等情況，鉆孔單班進(jìn)尺在30 m左右。為了提高鉆孔施工進(jìn)度，在對鉆孔軌跡進(jìn)行合理控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了定向鉆機(jī)采用回轉(zhuǎn)工藝施工鉆孔試驗(yàn)，進(jìn)行了鉆孔達(dá)到目標(biāo)層位后采用定向鉆機(jī)普鉆鉆桿回轉(zhuǎn)工藝試驗(yàn)，并安裝了鉆桿單向閥，探索出了定向長鉆孔高位裂隙瓦斯抽采鉆孔施工工藝。

2.1 鉆孔軌跡控制

為了確保鉆孔精確施工，作業(yè)人員在開孔前對測量設(shè)備進(jìn)行檢查，按照要求進(jìn)行密封及調(diào)整工具面，施工期間作業(yè)人員按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，采用YHD2-1000(A)隨鉆測量裝置每隔3 m對鉆孔施工數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，做到鉆孔施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。YHD2-1000隨鉆測量系統(tǒng)連接示意，如圖1所示。

圖1 YHD2-1000隨鉆測量系統(tǒng)連接示意

2.2 工藝對比

定向鉆機(jī)施工工藝：傳統(tǒng)的定向鉆機(jī)施工工藝(圖2)是采用螺桿鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，不需要鉆桿旋轉(zhuǎn)。泥漿泵輸出沖洗液進(jìn)入螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定壓力差，馬達(dá)的定子固定，轉(zhuǎn)子在壓力沖洗液驅(qū)動(dòng)下繞定子軸線做行星運(yùn)動(dòng)，萬向軸把轉(zhuǎn)子行星運(yùn)動(dòng)中的自轉(zhuǎn)部分傳遞給傳動(dòng)軸，使傳動(dòng)軸作定軸運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)它下端的鉆頭，從而達(dá)到鉆進(jìn)的目的[8-10]。該種鉆進(jìn)工藝主要用于鉆孔造斜和軌跡糾偏。

圖2 傳統(tǒng)的定向鉆機(jī)施工工藝

定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝：工藝示意圖如圖3所示，是采用泥漿泵高壓輸出的沖洗液推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，泥漿泵向孔底馬達(dá)送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，達(dá)到復(fù)合鉆進(jìn)的施工工藝，即定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝[11-13]。相較于傳統(tǒng)定向鉆機(jī)施工工藝，定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝的優(yōu)點(diǎn)是馬達(dá)與鉆機(jī)同時(shí)施壓，鉆桿及鉆頭同時(shí)旋轉(zhuǎn)，減小了鉆孔摩擦阻力，降低了系統(tǒng)壓力，提高了鉆孔鉆進(jìn)效率。

圖3 定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝示意

定向鉆機(jī)普鉆鉆桿回轉(zhuǎn)施工工藝：是采用ZDY6000LD定向鉆機(jī)、常規(guī)普通φ73鉆桿，施工過程中采用回轉(zhuǎn)施工的工藝。采用此工藝施工鉆孔時(shí)，將孔內(nèi)銅纜鉆桿及測量系統(tǒng)全部退出，然后往孔內(nèi)送入普通鉆桿，到達(dá)孔底后采用回轉(zhuǎn)施工到達(dá)設(shè)計(jì)位置。但是采用此工藝施工必須滿足2個(gè)條件，一是鉆孔已施工至目標(biāo)層位，二是末端的方位角與設(shè)計(jì)相同、傾角為1°左右。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

鉆孔設(shè)計(jì)從負(fù)壓、傾角、施工經(jīng)濟(jì)高效的角度出發(fā)，保障工作面內(nèi)鉆孔合理安排的前提下，合理設(shè)置鉆孔深度，鉆孔長度定在400 m范圍內(nèi)。結(jié)合207回風(fēng)巷“三帶”理論、普通鉆機(jī)施工高位裂隙鉆孔抽采數(shù)據(jù)和以往鉆孔布孔設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)綜合確定高位定向鉆孔的層位，在207回風(fēng)巷施工定向長距離鉆孔8個(gè)，鉆孔平行分布在距離回風(fēng)巷0～30 m區(qū)域范圍，垂高在15～55 m之間，鉆孔施工目標(biāo)層位的普氏系數(shù)為6～6.5。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 鉆孔施工

1#鉆孔施工期間，在過渡段采用定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝，并每隔60 m安裝一個(gè)鉆桿單向閥，在過渡段鉆孔施工進(jìn)度達(dá)到了每小班42 m進(jìn)度。當(dāng)鉆孔施工到270 m時(shí)，因孔內(nèi)返渣、出水較慢，影響鉆孔進(jìn)度，期間泥漿泵壓力達(dá)到4 MPa，鉆機(jī)給進(jìn)壓力達(dá)到8 MPa。采用定向馬達(dá)對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，將鉆孔傾角調(diào)整為1.2°，方位角調(diào)整為344°(與設(shè)計(jì)方位一樣)，采用定向鉆機(jī)普鉆鉆桿回轉(zhuǎn)施工工藝施工鉆孔，單班進(jìn)尺達(dá)到了72 m。鉆孔具體施工參數(shù)見表3。

表3 鉆孔施工參數(shù)表

鉆孔施工完后對270～363 m數(shù)據(jù)采用YHD2-1000(A)隨鉆測量裝置進(jìn)行測定，根據(jù)數(shù)據(jù)得出，左右偏差在±1 m，上下偏差在±2 m之內(nèi)，滿足鉆孔抽采要求。

4 結(jié)論

(1)定向長距離高位裂隙鉆孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)高位裂隙鉆孔，可以達(dá)到高效精準(zhǔn)抽采上隅角瓦斯的目的，降低了鉆孔施工量及封孔材料費(fèi)用。

(2)采用定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工工藝提升了定向鉆孔過渡段施工期間的施工效率，鉆孔施工效率提高了40%。

(3)采用定向鉆機(jī)、普鉆鉆桿、回轉(zhuǎn)施工工藝解決了目標(biāo)層位長鉆孔的施工進(jìn)度，并在數(shù)據(jù)調(diào)整到位情況下，鉆孔施工誤差在±2 m之內(nèi)，確保了鉆孔施工質(zhì)量；鉆孔施工效率提高了70%，實(shí)現(xiàn)了高效施工。