中长距离定向钻进技术在邻近煤层瓦斯治理中的应用

彭 勇

（1.河南理工大学土木工程学院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳联合矿业技术发展有限公司，北京市朝阳区，100013）

中长距离定向钻进技术在邻近煤层瓦斯治理中的应用

彭 勇1，2

（1.河南理工大学土木工程学院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳联合矿业技术发展有限公司，北京市朝阳区，100013）

针对神华集团乌达五虎山矿业有限责任公司瓦斯高且其主采9#、10#煤层层间距近的问题，提出利用9#煤层巷道设置钻场，同时对两个煤层进行预抽。采用定向钻进技术实现自上而下、覆盖两层煤的精准钻进，可以实现抽采达标；针对910采区东侧边界断层处煤层变薄，遇到背斜构造，需要准确设计910运输巷位置的问题，提出以精准定向钻进勘测断层地质构造情况，得出定向钻进不仅可解决瓦斯问题，还可进行地质勘查，避免巷道开拓失误，造成经济损失。

定向钻进 邻近煤层 瓦斯治理 地质勘查

1　煤矿概述

神华集团乌达五虎山矿业有限责任公司（以下简称五虎山煤矿）位于内蒙古自治区乌达煤田南翼，核定生产能力为1.8 Mt/a。目前开采9#、10#和12#煤层，采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。该矿为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为41.64 m3/min，相对瓦斯涌出量为17.91 m3/t。

五虎山煤矿9#煤层平均厚度3.1 m，煤层瓦斯含量为7.81 m3/t，煤层视密度1.32 t/m3；10#煤层平均厚度为2.1 m，煤层瓦斯含量为6.73 m3/t，煤层视密度1.37 t/m3。

从矿井实际开采情况看，中盘区9#煤层瓦斯含量较高，涌出量较大，局部地段有瓦斯异常带及瓦斯包存在；9#、10#煤层层间距为1～3 m，因此10#煤层瓦斯涌出到9#煤层的量也比较大。该区域9#煤层倾角为3°～9°，煤层顶、底板都为页岩。

该矿10#煤层尚未开发，没有掘进巷道，为安全开采中盘区9#煤层，需利用9#煤层的巷道布置钻场对10#煤层进行预抽。该矿东侧边界是一个逆掩大断层，在采区运输下山掘进到910条带位置时，煤层变薄，且形成背斜构造，无法确定运输巷的布置。910工作面上部的906工作面运输巷在2009年掘进期间因瓦斯超限事故而停工，对矿方采掘计划的执行以及采掘接续造成了严重制约。

对10#煤层进行预抽如果采用常规螺旋钻杆钻机，无法实现下倾向拐弯钻进；采用国内定向钻机，下倾向定向效果不好；采用普通定向钻机，向大断层方向钻进，地质构造复杂，卡掉钻危险大。

澳大利亚定向VLD-1000系列钻机采用DGS导向系统和DHM水力驱动马达系统，利用高压水驱动钻头，仅钻进系统转动，钻杆不动，有效解决了钻进阻力大、方向偏斜问题；以弯头钻头、孔底马达（Down Hole Motor，简称DHM）和定向导向系统（Directional Guide System，简称DGS）为组合的定向钻进系统弥补了螺杆旋转钻机无法实现长距离精准钻进的缺陷；定向精度达到千米靶心半径在1 m。综合以上优点，五虎山煤矿决定采用定向VLD-1000系列履带式钻机。

2　钻孔设计与施工

为解决10#煤层运输巷地质勘查和9#煤层、10#煤层预抽两个目的，在9#煤层南翼轨道延伸巷道布置910钻场，设计11条长钻孔，分别往9#煤层和10#煤层钻进。钻孔均匀布置在钻场内，钻孔间距平均26 m；根据推测煤层倾角，按设计开孔方位和设计钻机开孔倾角定位钻机后，使用专用的液压支柱纵向固定钻机，使用拉力为1.5 t以上的机械式紧线器横向固定钻机；使用大直径钻头开孔，煤层中开孔深度一般为6～12 m，开孔后使用直径100 mm专用封孔管和专用水泥注浆封孔，封孔结束后4 h安装孔口设施、孔底马达、DGS钻杆、铜钻杆，校正弯头方向；使用96 mm三牙轮钻头进行岩石钻进，从孔口开始一般每钻进6 m测量一次孔底参数，特殊情况下每钻进3 m进行一次参数测量；钻孔揭煤后洗孔，待返水稳定后退出钻杆，更换成96 mm PCD钻头按设计方位及倾角进行钻进，一般每钻进6 m进行一次孔底参数测量，特殊情况下每钻进3 m进行一次参数测量；由于缺乏详细的煤层资料，为保证钻进顺利，在钻进中每75～100 m间距探测煤层顶板一次，以确定煤层状况并指导钻进，探顶结束后退钻杆至预留的分支点，继续主孔钻进；完孔后安装孔板流量装置并将钻孔并入矿井抽放系统联网抽放，接抽后第一个月内每周5次对钻孔瓦斯流量等参数进行测量，从第二个月开始每周至少2次对钻孔瓦斯流量进行测量，直到项目结束，测量结果形成瓦斯抽采日报表及瓦斯月报表，然后对瓦斯抽采效果进行分析，并对后续钻孔设计密度进行修正。9#煤层钻孔长度按900～950 m考虑，10#煤层钻孔长度按500～600 m考虑。

表1　910钻场实际完成钻进工程量表

五虎山煤矿煤层平均厚度较小，而抽采钻孔均设计在煤层内，为精确定位煤层顶底板，当钻孔遇岩后要退回一定距离开分支钻进，同时，钻进过程要间隔最多100 m对煤层探顶一次，目的同样是为了精确定位煤层。这样在钻进中就要形成一定定向分支孔工程量，定向分支孔增加了主要钻孔的有效长度，此设计中定向分支孔率取25%。

为确定910条带区域9#煤层的厚度，8号钻孔钻进至909 m后，退钻杆过程中每间隔100 m左右开分支探底一次，累计探底9次，并沿煤层向东打4个侧分支，侧分支也进行了探顶探底，探底分支与侧分支共计735 m，计入定向分支孔工程量。7、8号钻孔施工完成，决定从8号钻孔开分支施工9号钻孔，9号钻孔终孔深909 m，为确定该区域9#煤层厚度，退钻杆过程中开分支探底6次。910钻场实际完成钻进工程量见表1。

3　抽采覆盖

从9#煤层钻场进入10#煤层后，定向钻进可以实现平滑的沿煤层转向钻进，解决了旋转钻进在治理邻近层瓦斯无法有效覆盖的难题。910工作面钻孔轨迹剖面示意图见图1。

图1　五虎山煤矿瓦斯抽采钻孔轨迹剖面示意图

4　抽采管理

（1）系统组建。钻孔施工结束后立即将钻进过程中使用的三通式孔口装置更换成永久抽放设施，并在每个孔口阀门与气水分离器（主抽放管路）之间安装孔板流量测试装置。

（2）监测原理。定向钻孔瓦斯流量选用标准孔板流量计按 《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》（GB/T2624-93）标准测定。

（3）监测实施。新钻孔施工结束并接抽后在第一个月内每周5次对其进行瓦斯流量观测，从第二个月至项目结束每周2次对其正常流量进行观测并形成流量日报表。

（4）监测数据选取。选取了2012年4月910钻场抽采月报和2011-2013年910钻场瓦斯抽采年报的数据，见表2和表3。由表2和表3可以看出，单孔抽放平均瓦斯浓度一般在77%左右，单孔纯流量0.67～1.01 m3/min，均值为0.79 m3/ min。910钻场单孔纯流量和平均浓度一直比较稳定。也可以分析出因邻近乌达逆掩大断层，910区域的瓦斯含量大。

表2　2012年4月910钻场抽采月报

（5）效果分析。各钻场治理效果分析如表4所示。从表4可以看出，910条带治理区域抽采率达到了42%，而邻近条带的9081达到了90%抽采率。这种利用上水平钻场，同时采取水平与下倾孔联合布置的方式，可以同时抽采两个或多个煤层瓦斯，防止开采时邻近层瓦斯泄入，实现安全、高效生产的目的。

5　结论

截至2015年3月底，五虎山矿910运输巷尚未掘进，910回风巷现已掘进900 m，根据矿实际掘进瓦斯涌出情况，该巷道内瓦斯探头读数未超过0.3%，未发生过瓦斯超限事故。

因此，采用定向钻进对五虎山矿9#煤层、10#煤层邻近层治理瓦斯工作达到了预期治理效果，可以覆盖全采区预抽区域，满足区域治理工作的要求。

表3　2011-2013年910钻场瓦斯抽采年报

表4　各钻场治理效果分析表

［1］ 凌志强，彭勇等.沿煤层定向钻进瓦斯抽采技术在宁夏矿区的应用［J］.煤炭科学技术，2008（11）

［2］ 吕继昌.煤矿工程孔定向钻进技术 ［J］.中国煤炭，1995（5）

［1］ 姚盼盼.VLD-1000型定向钻机的孔内事故分析及防范措施［J］.中国煤炭，2011（1）

（责任编辑 张艳华）

Application of the technique of directional drilling of middle and long distance for gas treatment of adjacent coal seam

Peng Yong1，2
（1.College of Civil Engineering of Henan Polytechnic University，Jianzuo，Henan 454000，China；2.China Australia Mining Development Alliance Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aiming at the problems that the gas content is high and the interlayer spacing is small between the No.9 and No.10 main mining coal seam in Wuhushan coal mining Co.，Ltd. of Shenhua Group，It was put forward that the drilling field was settled in the roadway of the No.9 coal seam and the gas in two coal seams was predrainage at the same time.The precision drilling from top to bottom and covering two seams was realized by the directional drilling technique，and the gas drainage can meet the standards.Aiming at the problems that the coal seams are becoming thin and encounter the anticline on the boundary faults of the eastern side in 910 mining area，the location of the 910 delivery roadway should be accurately designed，the precise directional drilling prospecting geologic fault structure was proposed，and the results show that the directional drilling can not only solve the gas problem，but also can explore geology to avoid roadway development failures and the economic losses.

directional drilling，adjacent coal seam，gas treatment，geological exploration

TD712.6

A

彭勇（1977-），男，山东邹城人，工程硕士，现任北京中澳联合矿业技术发展有限公司副总经理，主要从事煤矿安全专业化服务、瓦斯治理、定向钻进工作。