突出煤层条带瓦斯定向钻孔预抽技术研究

崔 振

（晋能控股集团寺河煤矿， 山西 晋城 048205）

1 某矿地质概况

晋能控股集团对某矿进行调查发现，该矿中煤和瓦斯突出，其中16 号和18 号煤层可采，17 号煤层只能进行局部开采，该矿井通过保护层的形式来进行，保护层为16 号，通过调查可以发现能够进行作业的平均厚度是2.88 m，17 号和18 号煤层的可作业厚度分别为1.20 m 和3.18 m。在开采煤层的过程中，常常会遇到瓦斯的浓度较高、结构断裂等情况，造成对瓦斯抽采的过程比较麻烦。

对该矿存在的煤巷条带预抽问题进行分析研究，通过采用底抽巷和穿层钻孔相结合的方式来对瓦斯抽取，也就是初步对地板构建底抽巷，采用上覆岩层卸压的方式，可以很好地提升煤层透气性，进而在底抽巷作业的过程中进行钻孔，在将要掘进的巷道和周边的范围进行全面触及。作业过程中出现的问题就是成本较高，所耗费的精力较大，此外，因为该矿的煤层分布的距离较小，矿场内的机构较乱，煤层分布不均匀，当进行底抽巷工作时，将会出现误揭煤等现象，导致瓦斯爆发，严重威胁人身安全。

2 瓦斯技术原理

通过采用钻孔的方式进行瓦斯预抽能够有效地解决煤和瓦斯产生的安全隐患。在进行作业之前，采用瓦斯抽采的方式能够大幅减小瓦斯的密度，将瓦斯存在的优势显示出来，从而达到煤巷条带在短时间内解决的计划。在进行定向钻孔时，由于可以对预钻轨道进行提前控制，且定向钻孔深度大等好处，在进行瓦斯抽采作业时得到普遍的使用，在2019 年相关规定中表明，针对区域化突出措施，可以通过定向长钻孔的方式来进行对瓦斯的抽采工作[1]。

在煤巷条带掘进迎进行作业位置规划，对钻场进行部署，在工作过程中应该保证钻孔覆盖待掘巷道的距离应该高于300 m。通过对煤层相关的参数规定确定钻孔之间的距离，从而能够保证位于两个钻孔之间不会出现空白带，依照瓦斯密度以及煤层硬度等相关参数来安排钻孔直径的参数。在进行钻孔作业时，采用开分支方式来勘探顶底板的实时，不仅还能够有效提升钻遇率，还保证了瓦斯抽采顺利进行。在工作结束之后应该将孔内的钻具取出，且需要在孔内完成筛管工作，通过将安插抽放管达到对瓦斯的抽采工作，等到工作一定程度开始进行局部防突方式检验，在进行作业的过程中，抽采时间和抽放半径呈相应的增加或者减小趋势，若能够满足要求，则可以开始煤巷掘进，否则需要进行对瓦斯进行抽采。

突出煤层具有的特点是含有的瓦斯量高，且压力较大，煤层结构分布不均匀等，通过用水进行洗刷的工作方式，在钻孔的时候容易遇到卡钻或者喷孔的问题。所以，应该选用空气复合定向钻进方式，也就是通过螺杆马达的转动来进行对硬质煤层的破碎工作，其中螺杆马达的转动是通过压缩机将风进行压缩后产生的动能，压风带动冲洗液进行驱动，此外，能够对定向钻孔实现预定轨迹的调整，从而实现在钻孔过程中随时对孔壁进行冲洗，大大提高了钻孔的效率以及增加了孔深。突出煤层经常会出现对瓦斯抽采效率低，且抽采后不能满足要求等，采用将水通过压缩产生压力对钻孔进行冲洗等方法，从而能够大大提高抽采效率，减小在抽采过程中所耗费的时间和精力。

3 空气复合定向钻进关键装备

3.1 空气螺杆马达

在进行碎软煤层钻孔时，空气螺杆马达对其成孔质量的高低影响非常大，面对该种情形，空气螺杆马达采用小直径进行布置，选用的参数为：长度和直径分别为4 m 和73 mm，弯角1.25°，其优势是能够有效地运用于低压力启动场合的需要，且工作寿命比较长，在马达定子外围布置了螺旋槽，能够起到排渣的作用[2]。

3.2 防爆矿用井下螺杆压缩机

通常情况下，压风输出压力不高于0.75 MPa，这样的压力值并不能达到马达正常工作以及在钻孔过程中排渣任务，通过分析研究得出，应该采用MLGF17/12.5-132G 型压缩机进行工作，配有输出压力1.25 MPa，输出流量 17 m3/min。

3.3 定向钻机

该矿选用的钻机型号为ZDY6000LD（F），该设备的机构比较紧凑，工作强度大，最高能达到6 000 N·m的扭矩，符合空气复合定向钻孔过程的需要，如表1所示为该型号的设备相关参数。

表1 ZDY6000LD（F）型钻机技术参数

4 工程实践

4.1 钻孔设计

在21608 轨道顺槽和21601 运输顺槽钻场作业，对16 号煤层通过采用顺煤层钻孔的方式来进行，可以达到对煤巷条带实现掩护的效果。在迎头进行钻场的规划，根据相关参数的规定，对各钻场安插有7 个钻孔，且位置处于煤层中部，对钻孔轨迹控制在掘进的方向，钻孔的深度设为300 m，且需要在两侧覆盖20 m 左右。依据16 号煤层中瓦斯分布的情况，将孔间距和孔径分别设置为4 m 和108 mm。工作结束以后需要进行护孔操作，依靠下筛管来完成该过程，从而能够保证瓦斯抽采的质量。

钻孔的结构设计可以根据定向钻进段和套管段进行考虑，孔口套管段通过使用组合开孔的形式进行，选择钻头和钻杆分别为Φ108 mmPDC 和Φ73 mm的组合，当到达15 m 的位置处停止钻进，接着选用扩孔钻进行依次扩孔，选择的扩孔钻参数为Φ133 mm、Φ153 mm、Φ193 mm，结尾操作是下入套管，套管选用的参数为Φ127 mm，在套管中注浆，待1 d 以上的时间用其进行凝固。在定向钻进段使用的钻具组合为测量探管（YHD2-1000(A)）、定向钻头（Φ108 mm）、上无磁钻杆（Φ73 mm）、下无磁钻杆（Φ73 mm）、大通孔送风器、通缆钻杆（Φ73 mm），起作用是对全部定向孔段进行相关任务作业。

4.2 施工难点

1）钻孔轨迹精确控制。在煤巷的指定位置处由于不能确定顶底板延伸的情况，断层处出现排布不均匀现象导致煤层的局部位置处厚点减小，严重时断裂，在孔段的周围倒塌会产生钻孔路线的相关数据发生变更，这些问题都会影响顺煤层定向钻进，会出现钻进不能够正常进行的现象。

2）下斜孔高效排渣。通过负角度的形式在煤巷中延伸，出现在下斜孔孔内排渣任务空难，导致作业过程的效率降低，再加上空气不具有高效的携渣能力，因此，如何在钻孔的过程中及时进行排渣任务是作业中的重中之重。

3）空气螺杆马达正常运转。因为在空气螺杆马达在工作的过程中要求较高，需要很高的流速，再加上空气不能够形成一个很好的散热和润滑环境，钻孔过程相关的参数不能很好地匹配导致马达出现制动现象，严重会导致孔内出现重大事故。

4.3 施工情况

4.3.1 21608 轨道顺槽钻场施工情况

21608 轨道顺槽钻场是在2021 年的5 月份开始相关工程的实施，在当年9 月竣工，在整个工程下完成了9 个定向钻孔，其中分为7 个主孔和2 个分支孔。根据调查发现，总钻孔深度达到3 929 m，300 m以上的钻孔成功率为88.9%。通过采用定向钻孔的形式对锁定区域进行全面覆盖，为了保证在煤层中不会出现瓦斯抽采空白带，图1 所示为实际工作过程中的钻孔路线。

图1 21608 轨道顺槽钻场试验转孔实钻轨迹平面图

在钻场工作过程中的第一个钻孔为4 号钻孔，采用开分支技术分析研究顶底板状态，确保钻孔路线能够很好的沿着煤层方向，选择最大为8 个开分支进行。在进行钻进过程中，选择空气作为排渣介质，有利于出现喷孔的强度和次数减小，其原理是在进行钻孔时空气对孔壁的干扰不大，再加上空气和瓦斯形成的浓度差不高，在孔壁形成的瓦斯可以在孔外进行排放，通过压风作为动力，从而确保喷孔的出现，大大改善了成孔的深度和效率。

4.3.2 21601 运输顺槽钻场施工情况

21601 运输顺槽钻场在2021 年8 月开始相关工程的实施，在当年的10 月竣工，该项工程定向钻孔个数达到11 个，其中分支孔和主孔分别为3 个和8 个，总钻孔深度达到4 524 m，300 m 以上的钻孔成功率为75%，如图2 所示为实际过程中的钻孔图。

图2 21601 运输顺槽钻场试验转孔实钻轨迹平面图

因为发现巷道作业时煤层的倾斜角为-3°，确保在下斜孔能够顺利进行排渣，通过结合复合强排渣措施，在钻具的高速旋转下使钻渣悬空，加上对颗粒较大的钻渣进行碾压，大大减少钻渣沉积的现象，在压风的作用下及时地排出钻渣。该措施的使用能够为21061 钻场实现快速排渣，且提高钻孔深度和钻孔效率。

4.4 瓦斯抽采效果分析

21608 轨道顺槽钻场中的瓦斯密度较大，位于原始瓦斯位置。在2021 年9 月底在该钻场中开始集中连抽，到次年2 月竣工，通过调查发现，平均瓦斯抽采纯量2.74 m3/min。钻场瓦斯抽采在初期瓦斯纯量在3.1 m3/min 左右，其浓度高于75%。工作逐渐进行中，其瓦斯的浓度和纯量开始降低，然而降低的速度非常慢，到次年的2 月10 日，瓦斯浓度一直稳定在43.7%，从而到达了长期抽采的目的。月开始集中连抽，在次年的2 月，实现了瓦斯抽采42万m3。在进行作业初期，瓦斯的纯量保持在2.9 m3/min 左右波动，浓度高于68%。面对钻孔作业的进行，可以看出瓦斯抽采浓度和纯量都在逐渐下降。

5 结论

1）在煤巷中进行瓦斯抽采工作时，采用定向长钻孔的措施能够起到有效作用，其优势是能够实现对钻孔路线的提前调整，瓦斯抽采后的质量保证等，该方式的运用能够实现煤层中的瓦斯预先解决，最终达到有效减小瓦斯抽采成本的目的。

2）采用空气复合定向钻孔方法，可以达到在碎软煤层进行有效钻孔任务，通过将空气作为钻进介质，辅助马达进行作业，进一步解决了高效排渣的问题，大大减小了在钻孔过程中出现的喷孔现象，有力提高成孔效率和深度。

3）在进行瓦斯抽采结果显示，采用定向长钻孔技术进行抽采工作，在21608 轨道顺槽钻场可以实现高效长期的抽采工作；21601 运输顺槽钻场进行抽采工作结果表明，能够达到42 万m3，通过区域性审核后，可以进行正常作业。