定向長(zhǎng)鉆孔施工消除工作面瓦斯抽采空白帶的技術(shù)研究

司 飛

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

S3102 工作面切眼347 m，在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，抽采瓦斯需要考慮到的問(wèn)題是可能會(huì)遇到空白帶。分析得出以下兩種情況，第一種是由于在工作過(guò)程中鉆孔的孔長(zhǎng)不能滿(mǎn)足要求。過(guò)去使用的鉆機(jī)是履帶式的設(shè)備，在工作面作業(yè)時(shí)預(yù)期能夠達(dá)到的深度為170 m左右，實(shí)際情況下只有150 m 左右，遠(yuǎn)不能達(dá)到主運(yùn)順槽和回風(fēng)順槽作業(yè)時(shí)在S3102 工作面實(shí)現(xiàn)之間相交。第二種情況是鉆孔與預(yù)期的路線相偏離、作業(yè)過(guò)程受到外界的壓力導(dǎo)致鉆桿受力不均勻、煤層出現(xiàn)的縫隙不均勻分布等現(xiàn)象，與期望的軌跡差距大，無(wú)法將抽煤位置全部覆蓋，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)空白帶。

采取的措施是通過(guò)定向鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)預(yù)定位置的作業(yè)，這樣能夠明顯解決以上遇到的問(wèn)題。通過(guò)定向鉆機(jī)作業(yè)，可以有效解決遇到的空白帶的現(xiàn)象，從而能夠使鉆孔路線進(jìn)行人為控制且所產(chǎn)生的成本不高等優(yōu)勢(shì)。

1 S3102 工作面概況

通過(guò)對(duì)晉能控股煤業(yè)公司中的某個(gè)高瓦斯礦井進(jìn)行研究分析調(diào)查，得到以下相關(guān)的數(shù)據(jù)，該礦井主要開(kāi)采3 號(hào)煤層，其中對(duì)煤層的瓦斯計(jì)量為8.51 m3/t。S3102 工作面的回風(fēng)順槽長(zhǎng)和主運(yùn)順槽長(zhǎng)分別為1 583 m 和1 527.1 m，回采斜距和回采平斜分別為1 258.7m 和1 285 m，其中計(jì)量出回采斜面積的相關(guān)值為4.46 萬(wàn)m2。整體來(lái)看S3102 的工作面可以發(fā)現(xiàn)，該工作面通過(guò)傳統(tǒng)的綜合機(jī)械化作業(yè)，采用一次采全高全部跨落式進(jìn)行。如圖1 所示為S3102 工作面平面圖。

圖1 S3102 工作面平面圖

一般情況下，使用的方式為“U”和高抽巷方式相結(jié)合，也就是所謂的“一進(jìn)一回”的形式，進(jìn)風(fēng)位置為S3102 主運(yùn)順槽，回風(fēng)的位置為S3102 回風(fēng)順槽，并且結(jié)合設(shè)有相應(yīng)的S3102 高抽巷。最初的瓦斯含量8.4 m3/t，最大可吸 4.487 3 m3/t。

2 順層鉆孔空白帶存在原因

2.1 鉆孔深度不足

對(duì)S3102 工作面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)記錄得知，回風(fēng)順槽和主運(yùn)順槽相關(guān)值為1 583 m 和1 527.1 m，測(cè)量過(guò)程中得知切眼斜距為347.2 m，通過(guò)順層作業(yè)的方式來(lái)進(jìn)行對(duì)瓦斯的抽取，應(yīng)該要保證孔深不能低于173.6 m，且需要保證主運(yùn)順槽孔嚴(yán)格保證20 m 的壓茬，孔深應(yīng)該至少保證183.6 m。在過(guò)去進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采用的是ZDY6500 履帶式鉆機(jī)設(shè)備，該設(shè)備在進(jìn)行鉆孔時(shí)能夠至少保證170 m 的孔深，然而在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)孔深只有150 m 左右。研究表明受到周邊環(huán)境的影響，導(dǎo)致不能夠?qū)瞻讕У母采w和鉆進(jìn)值減小[1]。

2.2 鉆孔軌跡偏離

然而過(guò)去采用的全液壓坑道鉆機(jī)設(shè)備也是有缺陷的，由于轉(zhuǎn)配的鉆頭和鉆桿在作業(yè)的過(guò)程中受到周?chē)h(huán)境的影響，容易導(dǎo)致不能按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行。這種情況將對(duì)造成工作面存在沒(méi)有被覆蓋的空白帶，直接導(dǎo)致工作效率低下。

3 定向長(zhǎng)鉆孔施工

進(jìn)行鉆孔作業(yè)的裝備有通纜鉆桿、孔底馬達(dá)、定向鉆機(jī)和定向鉆頭等，現(xiàn)對(duì)在作業(yè)過(guò)程中的主要工作設(shè)備進(jìn)行說(shuō)明，如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 定向鉆機(jī)施工工藝示意圖

1）在進(jìn)行定向鉆孔過(guò)程，通常采用的設(shè)備是VLD-1000-T，該設(shè)備的相關(guān)性能是能夠?qū)崿F(xiàn)在低速的情況下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，符合深孔鉆進(jìn)的條件。鉆機(jī)的相關(guān)參數(shù)：尺寸為3 870 mm×2150 mm×1 720 mm，功率為90 kW。其工作原理是通過(guò)高壓水驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆頭作業(yè)，接著將產(chǎn)生高壓的水流將工作后的殘留物進(jìn)行沖洗，該設(shè)備在工作過(guò)程中鉆桿不轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆孔的末端馬達(dá)后部裝有的探管來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成對(duì)鉆孔的路線記錄，能夠便于工作人員及時(shí)對(duì)鉆孔軌跡了解。對(duì)鉆孔設(shè)計(jì)相關(guān)要求的了解，通過(guò)馬達(dá)來(lái)進(jìn)行數(shù)值的調(diào)整和更改，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)在預(yù)期的軌道進(jìn)行。

2）孔底參數(shù)測(cè)量選用DGS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由通纜鉆桿、測(cè)量探管等構(gòu)成，其可以進(jìn)行的任務(wù)是能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和記錄，在儀表上顯示和儲(chǔ)存，該測(cè)量系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度為方位±1.5°，傾角±0.2°。通過(guò)該系統(tǒng)的使用能夠達(dá)到定向深度鉆孔的任務(wù)，且能夠隨時(shí)對(duì)鉆孔工作的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而符合在預(yù)定軌跡上進(jìn)行鉆孔。

3）該設(shè)備中采用Φ73 mm 的鉆桿，且長(zhǎng)為3 m；選用的鉆頭類(lèi)型有 Φ240 m、Φ240 m、Φ190 m 這三種，主要的作用是進(jìn)行開(kāi)孔，用于鉆進(jìn)的鉆頭通常選用Φ96 mm；為了能夠在工作的過(guò)程中滿(mǎn)足滿(mǎn)眼鉆進(jìn)的要求，可以在鉆頭的后方安裝穩(wěn)定器。

4）孔底馬達(dá)作為一種動(dòng)力組件，可以通過(guò)鉆機(jī)工作中的沖洗環(huán)節(jié)，將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，確保鉆頭面對(duì)堅(jiān)硬的巖石有很強(qiáng)的沖擊性，孔底馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)大扭矩高轉(zhuǎn)速的性能，其中馬達(dá)的參數(shù)為Φ73 mm[2]。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果分析

4.1 定向長(zhǎng)鉆孔竣工圖

3 個(gè)長(zhǎng)鉆孔分布在S3102 主運(yùn)輸槽，進(jìn)行11 個(gè)長(zhǎng)鉆孔工作，如圖3 所示為作業(yè)后的圖況。

圖3 S3102 工作面定向鉆孔施工竣工圖

4.2 定向長(zhǎng)鉆孔抽采數(shù)據(jù)

如表1 所示，為長(zhǎng)鉆孔相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 S3102 工作面定向長(zhǎng)鉆孔單孔抽采數(shù)據(jù)

4.3 效果分析

從圖4 中可以明顯看出配風(fēng)量為3 300～3 600 m3/min 范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛鹊南嚓P(guān)變化。

圖4 S3102 工作面回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

1）從圖4 中可知，回采距離為0～215 m 之間時(shí)，在配風(fēng)量到達(dá)3 300 m3/min，僅僅是順層鉆孔抽采，且可以看出瓦斯的密度大，在0.83%左右，最高能夠達(dá)到1.01%。

2）當(dāng)回采距離在215 m 和546 m 之間時(shí)，配風(fēng)量到達(dá)3 400 m3/min，可以看出工作面能夠到達(dá)3 號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行覆蓋，這時(shí)瓦斯的密度開(kāi)始發(fā)生改變，逐漸下降，為0.46%左右，最高可以達(dá)到0.99%。

3）當(dāng)回采距離的值處在546 m 和734 m 之間，配風(fēng)量為3 500 m3/min，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)量增加，會(huì)導(dǎo)致在546 m 和720 m 之間瓦斯的密度逐漸減小，而在720 m 和734 m 之間，瓦斯的密度呈相反趨勢(shì)開(kāi)始增加?？傮w瓦斯的濃度在0.28%上下波動(dòng)，最高值能夠達(dá)到0.52%。通過(guò)分析研究得出是由于2 號(hào)鉆場(chǎng)和3 號(hào)鉆場(chǎng)無(wú)壓茬，導(dǎo)致出現(xiàn)空白帶，從而導(dǎo)致在進(jìn)行回采的過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯?jié)舛仍黾印?/p>

4）當(dāng)回采距離在734 m 和1 050 m 之間，配風(fēng)量達(dá)到3 500 m3/min，會(huì)出現(xiàn)工作面到達(dá)2 號(hào)鉆場(chǎng)中鉆孔范圍，此時(shí)瓦斯密度在0.34%上下波動(dòng)，最高濃度為0.59%。

5）當(dāng)回采距離在 1 050 m 和1 180 m 之間，配風(fēng)量達(dá)到3 600 m3/min，此時(shí)到達(dá)1 號(hào)鉆場(chǎng)的孔范圍，此時(shí)瓦斯密度在0.45%上下波動(dòng)，最高濃度為0.58%。

4.4 成本核算

S3102 的回風(fēng)順槽長(zhǎng)和主運(yùn)順槽長(zhǎng)分別為1 583 m 和1 527.1 m，通過(guò)對(duì)停采線進(jìn)行相關(guān)分析可知，當(dāng)回采距離達(dá)到1 286 m 時(shí)應(yīng)該采用順層鉆孔進(jìn)行，大概需要分別進(jìn)行514 個(gè)孔位。測(cè)量過(guò)程中得知切眼斜距為347.2 m，通過(guò)順層作業(yè)的方式來(lái)進(jìn)行對(duì)瓦斯的抽取，應(yīng)該要保證孔深不能低于173.6 m，且需要保證主運(yùn)順槽孔嚴(yán)格保證20 m 的壓茬，孔深應(yīng)該至少保證183.6 m。然而根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，需要在平均值150 m 的條件下還應(yīng)該延長(zhǎng)43.6 m。因此通過(guò)使用順層鉆孔來(lái)解決空白帶的問(wèn)題需要進(jìn)行的作業(yè)長(zhǎng)度為514×43.6×2=44 820.8 m，若依據(jù) 50 元 /m 的鉆孔所耗費(fèi)的成本來(lái)進(jìn)行算，則需要C1=44 820.8×50=224.1萬(wàn)元。

通過(guò)使用定向長(zhǎng)鉆孔，能夠達(dá)到的工作深度為500 m，依據(jù)回風(fēng)順槽1 583 m 算，則應(yīng)該采用3 個(gè)鉆場(chǎng)，若將鉆場(chǎng)成本按照一個(gè)為8 萬(wàn)元來(lái)進(jìn)行，則應(yīng)該需要24 萬(wàn)元的綜合成本。確保鉆孔到達(dá)的預(yù)期范圍，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行的鉆場(chǎng)使用定向長(zhǎng)鉆工作，這樣的好處是能夠有力地解決空白帶問(wèn)題，需到達(dá)的深度為500×3×3=4 500 m，若按照300 元/m 的成本來(lái)考慮，則需要花費(fèi)C2=4 500×300+24=159 萬(wàn)元。

通過(guò)以上的分析可以看出C1＞C2，因此，應(yīng)該采用定向長(zhǎng)鉆孔是比較適合解決空白帶問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

1）該礦使用的鉆機(jī)型號(hào)為VLD-1000-T，通過(guò)對(duì)工作面進(jìn)行定向鉆孔，能夠解決對(duì)空白帶出現(xiàn)的問(wèn)題。

2）當(dāng)工作面回采到能夠覆蓋的距離時(shí)，此時(shí)瓦斯?jié)舛炔粫?huì)高于0.8%，從而能夠確保快速高效地進(jìn)行作業(yè)。

3）在相對(duì)的情況下，分析得到定向長(zhǎng)鉆孔所耗費(fèi)的成本較低，所以應(yīng)該使用該鉆孔技術(shù)來(lái)進(jìn)行作業(yè)。