深孔定向鉆機(jī)在瓦斯抽采方面的應(yīng)用

＊吳興云

（汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦 山西 033300）

礦井開采過程中，瓦斯作為一種常見危險因素，必須通過有效措施進(jìn)行抽采。深孔定向鉆機(jī)是近幾年出現(xiàn)的一種新型瓦斯抽采設(shè)備，它的應(yīng)用能有效增加抽采量，提高抽采效率，簡化抽采程序。

1.瓦斯抽采方法

瓦斯抽采對礦井安全生產(chǎn)而言至關(guān)重要，在最初的建礦過程中就需要增加相應(yīng)的投資，使瓦斯抽采達(dá)到預(yù)期的效果。截止目前，某煤礦已經(jīng)引進(jìn)了現(xiàn)今世界范圍內(nèi)最為先進(jìn)的深孔定向鉆機(jī)以及鉆進(jìn)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，型號分別為VLD-1000和DDM-MECCA，對目標(biāo)每層進(jìn)行大面積預(yù)抽采，抽采時鉆孔深度最大可達(dá)1000m。目前，累計鉆孔數(shù)量達(dá)到1980個，共抽采了近9×108m3的瓦斯，純瓦斯總量可以達(dá)到4.67×108m3，抽采率超過80%，從本質(zhì)上解決了瓦斯管理方面的問題，為礦井生產(chǎn)提供了可靠的安全保障。

根據(jù)某煤礦通過對瓦斯來源的調(diào)查與分析可知，該礦井瓦斯來源為3#煤層。結(jié)合以往的瓦斯抽采工作經(jīng)驗(yàn)，因?qū)ν咚惯M(jìn)行預(yù)抽排放可能會使煤體產(chǎn)生一定程度的收縮變形，如果煤體所占空間體積保持不變，則煤體一旦發(fā)生收縮變形不僅會使裂隙增大，而且還有可能引起新裂隙，導(dǎo)致煤層透氣性顯著增加。可見，通過長期預(yù)抽能得到良好效果[1]。

針對采空區(qū)，可采用高位穿層鉆孔的方法進(jìn)行瓦斯抽采，根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)做法，并充分考慮鉆機(jī)自身特點(diǎn)，可以在回風(fēng)巷借助定向鉆進(jìn)技術(shù)從目標(biāo)煤層頂部開始向工作面的后方沿頂板走向設(shè)置鉆孔，直到采空區(qū)上部存在的裂隙帶處，以此實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采。

為滿足采掘安全要求，根據(jù)礦井采掘相關(guān)計劃，將抽采的時間確定為兩年。在對工作面進(jìn)行瓦斯預(yù)抽的過程中，孔口的負(fù)壓應(yīng)控制在20-40kPa范圍內(nèi)，而對于采空區(qū)的頂板，其孔口處的負(fù)壓需按照5kPa控制。在鉆孔過程中，開孔與擴(kuò)孔的直徑均按照150mm控制，封孔使用孔徑為108mm的PVC管與聚氨酯，為保證封孔效果，封孔的長度應(yīng)達(dá)到6m。

在實(shí)際的抽采過程中，需要對抽采復(fù)壓、瓦斯?jié)舛燃皩?shí)際抽放量予以實(shí)時監(jiān)測，同時以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)適當(dāng)調(diào)整鉆孔的實(shí)際抽采狀態(tài)，確保處在最佳的抽采狀態(tài)。

2.基于深孔定向鉆機(jī)的瓦斯抽采鉆孔

在產(chǎn)煤國中，深孔定向鉆機(jī)正成為一種技術(shù)先進(jìn)且應(yīng)用成熟的定向鉆進(jìn)方式，在瓦斯抽采與地質(zhì)探測等工作中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的核心部位為孔內(nèi)馬達(dá)驅(qū)動及與之相匹配的測量技術(shù)。高壓水經(jīng)鉆桿進(jìn)入到孔內(nèi)馬達(dá)，驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動，在前端軸承的帶動作用下使鉆頭開始旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到破煤的效果，鉆進(jìn)時，鉆桿不發(fā)生轉(zhuǎn)動，僅鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣能大幅減小鉆機(jī)負(fù)載。對于孔內(nèi)馬達(dá)，彎接頭作為關(guān)鍵部件，與鉆桿之間保持一定夾角，在彎接頭支持下，鉆進(jìn)軌跡將不再像傳統(tǒng)鉆機(jī)那樣是一個帶有一定拋物形狀的直線，而是能形成一條向彎接頭方向彎曲的空間曲線。不同規(guī)格的接頭，其鉆孔曲率半徑不同。另外，在需要的位置采用彎接頭還能進(jìn)行分支孔的鉆進(jìn)。

與鉆機(jī)匹配的測量系統(tǒng)用于確保鉆機(jī)完全按照預(yù)設(shè)軌跡完成，鉆孔中需嚴(yán)格控制的測量參數(shù)包括彎接頭的方向、方位角與側(cè)角，以實(shí)測孔內(nèi)參數(shù)為依據(jù)，采用三角函數(shù)可通過計算確定任何一個測點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，再根據(jù)這些坐標(biāo)能描述鉆進(jìn)軌跡在水平與垂直兩個平面的投影，同時通過對與設(shè)計軌跡之間的對比確定偏差情況，據(jù)此對彎接頭的實(shí)際方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保實(shí)際的鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計要求完全相符。

該鉆機(jī)配套使用的孔內(nèi)測量系統(tǒng)是由AMT公司研制的DDM-MECCA，即模塊化電子定向鉆進(jìn)監(jiān)視器，該系統(tǒng)具備的遠(yuǎn)程通訊功能可以在5s之內(nèi)對各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并能自動通過計算得出測點(diǎn)坐標(biāo)（傾角測量結(jié)果的精確度可達(dá)±0.1°，方位角測量結(jié)果的精確度可達(dá)±0.5°）。該系統(tǒng)不僅能為鉆孔控制提供準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，還能減小測量工作可能對打鉆造成的影響。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被亞洲、澳洲和北美作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)鉆孔設(shè)計

鉆進(jìn)開始前，應(yīng)安排專人以布孔要求為依據(jù)，廣泛收集各項(xiàng)參考資料，包括地質(zhì)條件、現(xiàn)有測量數(shù)據(jù)等，然后根據(jù)這些資料確定鉆孔設(shè)計參數(shù)，如水平與垂直投影等，同時做好任務(wù)交接，確保施工人員正確領(lǐng)會本次施工意圖，為之后鉆孔施工的順利完成奠定良好基礎(chǔ)。

(2)開孔

先用150mm擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔的長度應(yīng)達(dá)到6m，將擴(kuò)孔器退出以后，根據(jù)要求使用水泥或者是聚氨酯進(jìn)行封孔，再將孔內(nèi)馬達(dá)下放至孔中，并連接好鉆桿，在孔口處設(shè)置安全裝置，如氣水分離器與防噴孔器等，最后方可按照孔外儀具體提示執(zhí)行開孔操作[2]。

(3)鉆進(jìn)

基于深孔定向鉆機(jī)的鉆進(jìn)施工與傳統(tǒng)鉆機(jī)所用操作程序基本相同，首先將開啟水泵，在鉆孔中有水返出，并確認(rèn)返渣保持正常后，即可開始加壓鉆進(jìn)，唯一不同的就是要按照6m的間隔距離進(jìn)行測量，在設(shè)計圖中畫出鉆孔在水平與垂直兩個方向上的投影坐標(biāo)，同時要和設(shè)計軌跡比對，以兩者的偏移情況為依據(jù)對彎頭的具體方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[3]。

考慮到礦井地質(zhì)資料無法完全準(zhǔn)確的反映出煤層具體起伏變化，故在鉆進(jìn)施工中，應(yīng)按照一定間隔距離對彎頭的實(shí)際方向進(jìn)行調(diào)整，使其沿垂直方向向上，這樣能快速鉆進(jìn)到頂板處，并確定頂板位置層位標(biāo)高，再后退至適當(dāng)?shù)奈恢瞄_出一條分支繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)，以此反復(fù)若干次后，將兩個探頂點(diǎn)連線的延長線作為在進(jìn)行下一段鉆進(jìn)施工時的依據(jù)，以此確保鉆孔施工始終在煤層當(dāng)中進(jìn)行。

(4)退鉆探底

因該礦井的3#煤下層存在夾矸層，而該層下部分布有厚度在0.5-1.0m范圍內(nèi)的軟煤，這一區(qū)域的瓦斯含量很高，為了對這一區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，需要在鉆孔到達(dá)設(shè)計要求的深度準(zhǔn)備退鉆時，需按照50m的距離間隔實(shí)施探底，其目的在于確保鉆孔從夾矸層當(dāng)中穿過，為夾矸層下部軟煤提供一個良好的抽采通道，并且還能探測確定煤層的實(shí)際厚度，最終為該礦井相關(guān)地質(zhì)資料的補(bǔ)充奠定良好基礎(chǔ)[4]。

(5)完孔參數(shù)

鉆進(jìn)完成后，將DDM-MECCA系統(tǒng)采集到的測量數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，由計算機(jī)進(jìn)行自動處理，直到形成完孔垂直和水平面軌跡，為之后各項(xiàng)工作順利開展提供參考依據(jù)。

(6)氣、水和煤屑分離

采用深孔定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)時，為了能對鉆場范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效控制，并做好對煤屑進(jìn)行分離，在保證鉆進(jìn)安全性的同時實(shí)現(xiàn)對煤渣的分選，需要以鉆機(jī)設(shè)計為基礎(chǔ)，對氣、水和煤屑進(jìn)行的分離做深入優(yōu)化。通過對分離裝置的適當(dāng)改良，能發(fā)揮出良好分離作用，取得理想的效果。首先，借助封孔器與分離器對鉆孔中存在的瓦斯實(shí)施連續(xù)抽采，以此防止瓦斯噴孔，使鉆場范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛忍幵谠试S范圍之內(nèi)；其次，在二次分離器有效作用下，能使廢水與煤屑實(shí)現(xiàn)有效分離，為鉆場管理創(chuàng)造便利，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理；最后，采用在匯流管上設(shè)置的備抽管，能有效加快完孔階段接抽速度，并能在鉆孔時由于孔內(nèi)異常導(dǎo)致瓦斯量急劇增大時使瓦斯進(jìn)入到抽采管路當(dāng)中，從而防止安全事故發(fā)生[5]。

(7)鉆孔施工注意事項(xiàng)

采用深孔定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工時，應(yīng)注意以下幾個方面要點(diǎn)：

①考慮到鉆進(jìn)工藝比較特殊，故現(xiàn)場施工人員應(yīng)提前在腦海中形成鉆孔模型，以此為之后對彎頭方向進(jìn)行的調(diào)整提供參考[6]。

②鉆進(jìn)時必須做好各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)結(jié)果的記錄，同時要對鉆進(jìn)時遇到的各種情況進(jìn)行詳細(xì)記載，需記載的內(nèi)容包括水壓力、推進(jìn)與提升壓力、水量、彎頭的實(shí)際改變情況等，為鉆進(jìn)事故發(fā)生后相關(guān)措施的制定提供可靠依據(jù)。

③為了能在鉆進(jìn)時實(shí)現(xiàn)有效控制，現(xiàn)場操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照一定距離間隔留設(shè)適宜的分支點(diǎn)。

④因煤層產(chǎn)狀和地質(zhì)構(gòu)造都比較復(fù)雜，所以在鉆進(jìn)過程中可能發(fā)生設(shè)備抱鉆等情況，對此，主孔和分支孔之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隔距離，這樣能防止主孔和分支孔產(chǎn)生相互干擾，進(jìn)而影響到水力壓裂。除此之外，鉆進(jìn)時應(yīng)防止由于產(chǎn)生急彎導(dǎo)致鉆孔阻力陡增，并且急彎還會對鉆孔時的打撈工作造成很大的影響。

⑤在有目的性和針對性的做好地質(zhì)構(gòu)造探測工作基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量避免在地質(zhì)構(gòu)造處進(jìn)行鉆孔的布置，同時在設(shè)計和打鉆的過程中應(yīng)充分考慮鉆進(jìn)和打撈之間的關(guān)系。

⑥退鉆時，應(yīng)按照30-50cm的間隔距離實(shí)施洗孔，這樣能在保證退鉆順利完成的基礎(chǔ)上使抽采通道始終保持暢通，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的瓦斯抽采效果。

⑦考慮到抱鉆、卡鉆和掉鉆等現(xiàn)象在鉆孔施工中在所難免，所以通過對歷次打撈相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，首先要配備專用工具，其次要通過對相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)的深入分析，編制詳細(xì)且可行的打撈方案。該方案必須綜合考慮所有可能產(chǎn)生的情況，并應(yīng)在方案實(shí)施中對打撈程序進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此外，現(xiàn)場操作人員應(yīng)有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)與判斷力。

3.結(jié)語

綜上所述，深孔定向鉆機(jī)在實(shí)際工作中的成功使用，對于增加礦井瓦斯抽采數(shù)量與提高抽采效率有重要作用。對于絕大多數(shù)礦井而言，需要在積極引進(jìn)投資的基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)的抽采技術(shù)和管理理念。根據(jù)深孔定向鉆機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果可知，深孔定向鉆機(jī)具備顯著技術(shù)優(yōu)勢，而且有著良好的應(yīng)用與推廣前景，能為礦井生產(chǎn)中瓦斯災(zāi)害的防治工作提供有效技術(shù)途徑。