定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用

刘利平

(阳泉煤业集团有限责任公司 通风部，山西 阳泉 045000)

阳煤集团下属煤矿分布在阳泉、太原、临汾、晋中、忻州、朔州六个地区，阳泉矿区煤层地质构造复杂、透气性差，属于典型的低渗碎软突出难抽煤层，是我国自然灾害最严重的矿区之一。近年来，伴随矿井开采深度的增加，治理瓦斯难度渐渐增大，抽、掘、采平衡衔接日益紧张，严重影响矿井的安全高效开采，成为制约企业安全发展的瓶颈，而定向钻机钻进简单、操作方便、适用性强，在煤矿瓦斯治理中发挥着非常显著的效果。

1 阳煤集团矿井概况

阳煤集团下属矿井主要分布在沁水煤田，属于近水平煤层，自上而下共含煤层15层(1号～15号)，现主采3号、15号煤层，局部可采6号、8号、9号、12号煤层。煤层瓦斯压力为0.25～2.3 MPa，瓦斯含量14.75～26.73 m3/t，透气性系数0.017～0.15 m2/(MPa2·d)，普氏系数f=0.1～0.8，矿井相对瓦斯涌出量16～46 m3/t，绝对瓦斯涌出量150～580 m3/min。

集团现有高瓦斯矿井9座、煤与瓦斯突出矿井10座，高瓦斯矿井瓦斯来源邻近层约占85%以上，煤与瓦斯突出矿井瓦斯涌出量邻近层、本煤层各占约50%。

2 定向钻机主要技术原理及特点

定向钻机成套装备主要由定向钻机、孔底螺杆马达、高强度钻杆、随钻轨迹测量系统等构成。随钻轨迹测量系统能够实现钻进过程中随时测量钻孔倾角、工具面向角、方位角等主要参数，实现钻孔轨迹的随钻动态显示，方便钻孔施工人员随时掌握钻孔施工情况，并根据穿岩穿煤情况及时驱动孔底螺杆马达调整工具面方向和钻孔工艺参数，确保钻孔尽可能地按照设计轨迹延伸，并根据煤层瓦斯赋存，对钻孔进行多分支孔施工，具有钻进成孔率高、钻孔用途广、树状集中抽采等特点。

3 定向钻机在瓦斯治理中的应用

3.1 定向长钻孔采空区瓦斯治理

3.1.1 定向钻孔设计

坪上矿8216工作面走向长度980 m，倾向长度180 m,定向钻孔布置位于煤层顶板16～45 m，控制工作面回风侧倾向长1/3；钻孔设计深度550 m，水平面上距回风巷13.5 m、27 m、40.5 m、54 m，垂直面上距煤层顶板16 m、28 m、38 m、45 m。

3.1.2 定向钻孔抽采效果

如图1所示，当8216工作面回采过程中，受工作面采动影响，距工作面切巷500 m处的2号钻场回采至距钻场320 m位置时钻孔瓦斯浓度最大达到45%(图1)，回采至距钻场310 m位置时抽采纯量最大达到12.25 m3/min，回采至距钻场300 m位置抽采混合量最大达到45.2 m3/min，累计抽采瓦斯240万m3。通过钻场顶板高位定向长钻孔抽采，回采工作面上隅角瓦斯浓度下降明显，由抽采前最高值0.68%降低至0.2%～0.35%之间，生产期间瓦斯影响停机次数降低60%以上，有效保证了工作面高效回采进度。

图1 2号钻场瓦斯抽采效果

3.2 定向长钻孔大区域超前瓦斯治理

3.2.1 定向钻孔设计

在开元公司9713工作面进风巷及辅助进风巷钻场中施工梳状定向钻孔(如图2)，单孔设计深度600 m，每40～60 m开设一个分支孔进入目标煤层，然后沿煤层钻进，钻孔间距10 m,直接在煤层中布置，困难时把主孔布置于目标煤层底板5 m以下层位，相当于底抽巷的作用。

图2 钻场梳状钻孔平面布置

3.2.2 定向钻孔施工

如图3所示，通过在目标煤层底板5～7 m施工定向钻孔主孔，主孔间距10 m，设计孔深600 m，到达煤层位置时每隔60～80 m在主孔内开一个分支孔进入煤层，从而达到对采区两翼进行大面积区域瓦斯治理的目的。

图3 定向钻孔钻孔剖面示意

3.2.3 定向钻孔抽采效果

开元公司9713工作面进风巷及辅助进风巷设计长度均为1 800 m，净宽5.2 m，钻场布置在巷道开口位置的轨道运输巷，设计11个钻孔保护两巷掘进，于2018年4月开始施工钻孔、并网抽采，根据两巷开展定向钻孔区域瓦斯治理的抽采情况，汇总各钻孔抽采数据，见表1。

表1 钻孔抽采数据汇总

由表1数据可知，单个定向钻孔平均抽采浓度均达到50%以上，平均抽采纯量0.5～1 m3/min，采用底板梳状定向钻孔单孔抽采浓度高、抽釆纯量较大、抽采衰减率低、抽釆效率高。通过对开元公司9采区煤层两翼进行定向钻进大区域超前瓦斯治理，预抽前该区域瓦斯含量平均9.3 m3/t，瓦斯压力0.96 MPa,抽釆30 d后，煤层残存瓦斯含量实测最大7.56 m3/t，瓦斯压力0.59 MPa,实现了大面积整体区域消突，有效保证了井下安全生产。

3.3 定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理

3.3.1 定向钻孔设计

在新景公司3212工作面迎头布置施工顺层定向条带钻孔(见图4)，钻孔每循环控制条带长度300 m以上，控制巷道两帮轮廓线20 m范围，布置间距按实测抽采半径确定，一般为2.5～5 m,钻孔施工完毕后封孔长度不少于15 m。

3.3.2 定向钻孔抽采效果

在3212工作面施工7个定向条带顺层钻孔，钻孔最大深度384 m，单孔平均抽采瓦斯浓度均在50%以上，纯量平均约0.3 m3/min,其中3号、4号钻孔的抽采累积量和日抽采量曲线如图5、图6。

图6 定向钻孔瓦斯日抽采量变化曲线

图5 定向钻孔瓦斯抽采累积量变化曲线

图4 定向顺层条带钻孔平面

通过对新景公司3212工作面瓦斯预抽，减少了施工瓦斯治理工程巷道340 m，掘进期间没有出现工作面瓦斯超限现象，节约了生产成本，提高了生产效率，保证了安全生产。

4 结 语

阳煤集团下属矿井采用定向钻机抽采瓦斯技术取得了显著成效，全年减少瓦斯治理工程巷道约3 000 m，与普通钻机施工的钻孔相比瓦斯抽采纯量提高了2～3倍，为煤矿安全生产创造了有利条件，极大地缓解了矿井抽、掘、采平衡衔接紧张现象。

但长距离定向钻孔在遇地质构造带时存在成孔、护孔难的问题，仍需要不断积累总结瓦斯精准治理技术经验，加强技术攻关，形成完整的瓦斯治理技术体系，为煤矿安全生产保驾护航。