深孔定向钻机在瓦斯抽采方面的应用

＊吴兴云

（汾西矿业集团双柳煤矿 山西 033300）

矿井开采过程中，瓦斯作为一种常见危险因素，必须通过有效措施进行抽采。深孔定向钻机是近几年出现的一种新型瓦斯抽采设备，它的应用能有效增加抽采量，提高抽采效率，简化抽采程序。

1.瓦斯抽采方法

瓦斯抽采对矿井安全生产而言至关重要，在最初的建矿过程中就需要增加相应的投资，使瓦斯抽采达到预期的效果。截止目前，某煤矿已经引进了现今世界范围内最为先进的深孔定向钻机以及钻进实时监控系统，型号分别为VLD-1000和DDM-MECCA，对目标每层进行大面积预抽采，抽采时钻孔深度最大可达1000m。目前，累计钻孔数量达到1980个，共抽采了近9×108m3的瓦斯，纯瓦斯总量可以达到4.67×108m3，抽采率超过80%，从本质上解决了瓦斯管理方面的问题，为矿井生产提供了可靠的安全保障。

根据某煤矿通过对瓦斯来源的调查与分析可知，该矿井瓦斯来源为3#煤层。结合以往的瓦斯抽采工作经验，因对瓦斯进行预抽排放可能会使煤体产生一定程度的收缩变形，如果煤体所占空间体积保持不变，则煤体一旦发生收缩变形不仅会使裂隙增大，而且还有可能引起新裂隙，导致煤层透气性显著增加。可见，通过长期预抽能得到良好效果[1]。

针对采空区，可采用高位穿层钻孔的方法进行瓦斯抽采，根据当前国内外先进做法，并充分考虑钻机自身特点，可以在回风巷借助定向钻进技术从目标煤层顶部开始向工作面的后方沿顶板走向设置钻孔，直到采空区上部存在的裂隙带处，以此实现瓦斯抽采。

为满足采掘安全要求，根据矿井采掘相关计划，将抽采的时间确定为两年。在对工作面进行瓦斯预抽的过程中，孔口的负压应控制在20-40kPa范围内，而对于采空区的顶板，其孔口处的负压需按照5kPa控制。在钻孔过程中，开孔与扩孔的直径均按照150mm控制，封孔使用孔径为108mm的PVC管与聚氨酯，为保证封孔效果，封孔的长度应达到6m。

在实际的抽采过程中，需要对抽采复压、瓦斯浓度及实际抽放量予以实时监测，同时以监测结果为依据适当调整钻孔的实际抽采状态，确保处在最佳的抽采状态。

2.基于深孔定向钻机的瓦斯抽采钻孔

在产煤国中，深孔定向钻机正成为一种技术先进且应用成熟的定向钻进方式，在瓦斯抽采与地质探测等工作中得到越来越广泛的应用，这项技术的核心部位为孔内马达驱动及与之相匹配的测量技术。高压水经钻杆进入到孔内马达，驱动马达转子发生转动，在前端轴承的带动作用下使钻头开始旋转，以此达到破煤的效果，钻进时，钻杆不发生转动，仅钻头进行旋转，这样能大幅减小钻机负载。对于孔内马达，弯接头作为关键部件，与钻杆之间保持一定夹角，在弯接头支持下，钻进轨迹将不再像传统钻机那样是一个带有一定抛物形状的直线，而是能形成一条向弯接头方向弯曲的空间曲线。不同规格的接头，其钻孔曲率半径不同。另外，在需要的位置采用弯接头还能进行分支孔的钻进。

与钻机匹配的测量系统用于确保钻机完全按照预设轨迹完成，钻孔中需严格控制的测量参数包括弯接头的方向、方位角与侧角，以实测孔内参数为依据，采用三角函数可通过计算确定任何一个测点对应的坐标，再根据这些坐标能描述钻进轨迹在水平与垂直两个平面的投影，同时通过对与设计轨迹之间的对比确定偏差情况，据此对弯接头的实际方向进行适当调整，确保实际的钻进轨迹与设计要求完全相符。

该钻机配套使用的孔内测量系统是由AMT公司研制的DDM-MECCA，即模块化电子定向钻进监视器，该系统具备的远程通讯功能可以在5s之内对各项测量数据进行准确测量，并能自动通过计算得出测点坐标（倾角测量结果的精确度可达±0.1°，方位角测量结果的精确度可达±0.5°）。该系统不仅能为钻孔控制提供准确的测量数据，还能减小测量工作可能对打钻造成的影响。目前，这项技术已经被亚洲、澳洲和北美作为一项标准。

(1)钻孔设计

钻进开始前，应安排专人以布孔要求为依据，广泛收集各项参考资料，包括地质条件、现有测量数据等，然后根据这些资料确定钻孔设计参数，如水平与垂直投影等，同时做好任务交接，确保施工人员正确领会本次施工意图，为之后钻孔施工的顺利完成奠定良好基础。

(2)开孔

先用150mm扩孔器进行扩孔，扩孔的长度应达到6m，将扩孔器退出以后，根据要求使用水泥或者是聚氨酯进行封孔，再将孔内马达下放至孔中，并连接好钻杆，在孔口处设置安全装置，如气水分离器与防喷孔器等，最后方可按照孔外仪具体提示执行开孔操作[2]。

(3)钻进

基于深孔定向钻机的钻进施工与传统钻机所用操作程序基本相同，首先将开启水泵，在钻孔中有水返出，并确认返渣保持正常后，即可开始加压钻进，唯一不同的就是要按照6m的间隔距离进行测量，在设计图中画出钻孔在水平与垂直两个方向上的投影坐标，同时要和设计轨迹比对，以两者的偏移情况为依据对弯头的具体方向进行适当调整[3]。

考虑到矿井地质资料无法完全准确的反映出煤层具体起伏变化，故在钻进施工中，应按照一定间隔距离对弯头的实际方向进行调整，使其沿垂直方向向上，这样能快速钻进到顶板处，并确定顶板位置层位标高，再后退至适当的位置开出一条分支继续进行钻进，以此反复若干次后，将两个探顶点连线的延长线作为在进行下一段钻进施工时的依据，以此确保钻孔施工始终在煤层当中进行。

(4)退钻探底

因该矿井的3#煤下层存在夹矸层，而该层下部分布有厚度在0.5-1.0m范围内的软煤，这一区域的瓦斯含量很高，为了对这一区域进行瓦斯抽采，需要在钻孔到达设计要求的深度准备退钻时，需按照50m的距离间隔实施探底，其目的在于确保钻孔从夹矸层当中穿过，为夹矸层下部软煤提供一个良好的抽采通道，并且还能探测确定煤层的实际厚度，最终为该矿井相关地质资料的补充奠定良好基础[4]。

(5)完孔参数

钻进完成后，将DDM-MECCA系统采集到的测量数据及时传输到计算机中，由计算机进行自动处理，直到形成完孔垂直和水平面轨迹，为之后各项工作顺利开展提供参考依据。

(6)气、水和煤屑分离

采用深孔定向钻机进行钻进时，为了能对钻场范围内瓦斯浓度进行有效控制，并做好对煤屑进行分离，在保证钻进安全性的同时实现对煤渣的分选，需要以钻机设计为基础，对气、水和煤屑进行的分离做深入优化。通过对分离装置的适当改良，能发挥出良好分离作用，取得理想的效果。首先，借助封孔器与分离器对钻孔中存在的瓦斯实施连续抽采，以此防止瓦斯喷孔，使钻场范围内瓦斯浓度处在允许范围之内；其次，在二次分离器有效作用下，能使废水与煤屑实现有效分离，为钻场管理创造便利，实现标准化管理；最后，采用在汇流管上设置的备抽管，能有效加快完孔阶段接抽速度，并能在钻孔时由于孔内异常导致瓦斯量急剧增大时使瓦斯进入到抽采管路当中，从而防止安全事故发生[5]。

(7)钻孔施工注意事项

采用深孔定向钻机进行钻孔施工时，应注意以下几个方面要点：

①考虑到钻进工艺比较特殊，故现场施工人员应提前在脑海中形成钻孔模型，以此为之后对弯头方向进行的调整提供参考[6]。

②钻进时必须做好各项测量数据结果的记录，同时要对钻进时遇到的各种情况进行详细记载，需记载的内容包括水压力、推进与提升压力、水量、弯头的实际改变情况等，为钻进事故发生后相关措施的制定提供可靠依据。

③为了能在钻进时实现有效控制，现场操作人员应严格按照一定距离间隔留设适宜的分支点。

④因煤层产状和地质构造都比较复杂，所以在钻进过程中可能发生设备抱钻等情况，对此，主孔和分支孔之间应有适当的间隔距离，这样能防止主孔和分支孔产生相互干扰，进而影响到水力压裂。除此之外，钻进时应防止由于产生急弯导致钻孔阻力陡增，并且急弯还会对钻孔时的打捞工作造成很大的影响。

⑤在有目的性和针对性的做好地质构造探测工作基础上，应尽量避免在地质构造处进行钻孔的布置，同时在设计和打钻的过程中应充分考虑钻进和打捞之间的关系。

⑥退钻时，应按照30-50cm的间隔距离实施洗孔，这样能在保证退钻顺利完成的基础上使抽采通道始终保持畅通，进而达到预期的瓦斯抽采效果。

⑦考虑到抱钻、卡钻和掉钻等现象在钻孔施工中在所难免，所以通过对历次打捞相关经验的总结，首先要配备专用工具，其次要通过对相关钻进参数的深入分析，编制详细且可行的打捞方案。该方案必须综合考虑所有可能产生的情况，并应在方案实施中对打捞程序进行适当调整。此外，现场操作人员应有丰富的操作经验与判断力。

3.结语

综上所述，深孔定向钻机在实际工作中的成功使用，对于增加矿井瓦斯抽采数量与提高抽采效率有重要作用。对于绝大多数矿井而言，需要在积极引进投资的基础上，引入先进的抽采技术和管理理念。根据深孔定向钻机实际应用效果可知，深孔定向钻机具备显著技术优势，而且有着良好的应用与推广前景，能为矿井生产中瓦斯灾害的防治工作提供有效技术途径。