定向长钻孔施工消除工作面瓦斯抽采空白带的技术研究

司 飞

（晋能控股集团寺河煤矿， 山西 晋城 048205）

引言

S3102 工作面切眼347 m，在进行作业的过程中，抽采瓦斯需要考虑到的问题是可能会遇到空白带。分析得出以下两种情况，第一种是由于在工作过程中钻孔的孔长不能满足要求。过去使用的钻机是履带式的设备，在工作面作业时预期能够达到的深度为170 m左右，实际情况下只有150 m 左右，远不能达到主运顺槽和回风顺槽作业时在S3102 工作面实现之间相交。第二种情况是钻孔与预期的路线相偏离、作业过程受到外界的压力导致钻杆受力不均匀、煤层出现的缝隙不均匀分布等现象，与期望的轨迹差距大，无法将抽煤位置全部覆盖，导致内部出现空白带。

采取的措施是通过定向钻机进行对预定位置的作业，这样能够明显解决以上遇到的问题。通过定向钻机作业，可以有效解决遇到的空白带的现象，从而能够使钻孔路线进行人为控制且所产生的成本不高等优势。

1 S3102 工作面概况

通过对晋能控股煤业公司中的某个高瓦斯矿井进行研究分析调查，得到以下相关的数据，该矿井主要开采3 号煤层，其中对煤层的瓦斯计量为8.51 m3/t。S3102 工作面的回风顺槽长和主运顺槽长分别为1 583 m 和1 527.1 m，回采斜距和回采平斜分别为1 258.7m 和1 285 m，其中计量出回采斜面积的相关值为4.46 万m2。整体来看S3102 的工作面可以发现，该工作面通过传统的综合机械化作业，采用一次采全高全部跨落式进行。如图1 所示为S3102 工作面平面图。

图1 S3102 工作面平面图

一般情况下，使用的方式为“U”和高抽巷方式相结合，也就是所谓的“一进一回”的形式，进风位置为S3102 主运顺槽，回风的位置为S3102 回风顺槽，并且结合设有相应的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 顺层钻孔空白带存在原因

2.1 钻孔深度不足

对S3102 工作面进行相关参数记录得知，回风顺槽和主运顺槽相关值为1 583 m 和1 527.1 m，测量过程中得知切眼斜距为347.2 m，通过顺层作业的方式来进行对瓦斯的抽取，应该要保证孔深不能低于173.6 m，且需要保证主运顺槽孔严格保证20 m 的压茬，孔深应该至少保证183.6 m。在过去进行作业时，采用的是ZDY6500 履带式钻机设备，该设备在进行钻孔时能够至少保证170 m 的孔深，然而在进行实际操作时，调查发现孔深只有150 m 左右。研究表明受到周边环境的影响，导致不能够对空白带的覆盖和钻进值减小[1]。

2.2 钻孔轨迹偏离

然而过去采用的全液压坑道钻机设备也是有缺陷的，由于转配的钻头和钻杆在作业的过程中受到周围环境的影响，容易导致不能按照预定的轨迹进行。这种情况将对造成工作面存在没有被覆盖的空白带，直接导致工作效率低下。

3 定向长钻孔施工

进行钻孔作业的装备有通缆钻杆、孔底马达、定向钻机和定向钻头等，现对在作业过程中的主要工作设备进行说明，如下页图2 所示。

图2 定向钻机施工工艺示意图

1）在进行定向钻孔过程，通常采用的设备是VLD-1000-T，该设备的相关性能是能够实现在低速的情况下产生较大的转矩，符合深孔钻进的条件。钻机的相关参数：尺寸为3 870 mm×2150 mm×1 720 mm，功率为90 kW。其工作原理是通过高压水驱动实现钻头作业，接着将产生高压的水流将工作后的残留物进行冲洗，该设备在工作过程中钻杆不转，通过钻孔的末端马达后部装有的探管来进行实时监测，完成对钻孔的路线记录，能够便于工作人员及时对钻孔轨迹了解。对钻孔设计相关要求的了解，通过马达来进行数值的调整和更改，从而实现钻机在预期的轨道进行。

2）孔底参数测量选用DGS 系统，该系统是由通缆钻杆、测量探管等构成，其可以进行的任务是能够对相关数据进行测量和记录，在仪表上显示和储存，该测量系统能够达到的精度为方位±1.5°，倾角±0.2°。通过该系统的使用能够达到定向深度钻孔的任务，且能够随时对钻孔工作的状态进行监测，从而符合在预定轨迹上进行钻孔。

3）该设备中采用Φ73 mm 的钻杆，且长为3 m；选用的钻头类型有 Φ240 m、Φ240 m、Φ190 m 这三种，主要的作用是进行开孔，用于钻进的钻头通常选用Φ96 mm；为了能够在工作的过程中满足满眼钻进的要求，可以在钻头的后方安装稳定器。

4）孔底马达作为一种动力组件，可以通过钻机工作中的冲洗环节，将液压能转化为机械能，确保钻头面对坚硬的岩石有很强的冲击性，孔底马达能够实现大扭矩高转速的性能，其中马达的参数为Φ73 mm[2]。

4 现场实施效果分析

4.1 定向长钻孔竣工图

3 个长钻孔分布在S3102 主运输槽，进行11 个长钻孔工作，如图3 所示为作业后的图况。

图3 S3102 工作面定向钻孔施工竣工图

4.2 定向长钻孔抽采数据

如表1 所示，为长钻孔相关数据。

表1 S3102 工作面定向长钻孔单孔抽采数据

4.3 效果分析

从图4 中可以明显看出配风量为3 300～3 600 m3/min 范围内的瓦斯浓度的相关变化。

图4 S3102 工作面回采期间回风流瓦斯浓度变化

1）从图4 中可知，回采距离为0～215 m 之间时，在配风量到达3 300 m3/min，仅仅是顺层钻孔抽采，且可以看出瓦斯的密度大，在0.83%左右，最高能够达到1.01%。

2）当回采距离在215 m 和546 m 之间时，配风量到达3 400 m3/min，可以看出工作面能够到达3 号钻场进行覆盖，这时瓦斯的密度开始发生改变，逐渐下降，为0.46%左右，最高可以达到0.99%。

3）当回采距离的值处在546 m 和734 m 之间，配风量为3 500 m3/min，这时会出现风量增加，会导致在546 m 和720 m 之间瓦斯的密度逐渐减小，而在720 m 和734 m 之间，瓦斯的密度呈相反趋势开始增加。总体瓦斯的浓度在0.28%上下波动，最高值能够达到0.52%。通过分析研究得出是由于2 号钻场和3 号钻场无压茬，导致出现空白带，从而导致在进行回采的过程中出现瓦斯浓度增加。

4）当回采距离在734 m 和1 050 m 之间，配风量达到3 500 m3/min，会出现工作面到达2 号钻场中钻孔范围，此时瓦斯密度在0.34%上下波动，最高浓度为0.59%。

5）当回采距离在 1 050 m 和1 180 m 之间，配风量达到3 600 m3/min，此时到达1 号钻场的孔范围，此时瓦斯密度在0.45%上下波动，最高浓度为0.58%。

4.4 成本核算

S3102 的回风顺槽长和主运顺槽长分别为1 583 m 和1 527.1 m，通过对停采线进行相关分析可知，当回采距离达到1 286 m 时应该采用顺层钻孔进行，大概需要分别进行514 个孔位。测量过程中得知切眼斜距为347.2 m，通过顺层作业的方式来进行对瓦斯的抽取，应该要保证孔深不能低于173.6 m，且需要保证主运顺槽孔严格保证20 m 的压茬，孔深应该至少保证183.6 m。然而根据实际情况来看，需要在平均值150 m 的条件下还应该延长43.6 m。因此通过使用顺层钻孔来解决空白带的问题需要进行的作业长度为514×43.6×2=44 820.8 m，若依据 50 元 /m 的钻孔所耗费的成本来进行算，则需要C1=44 820.8×50=224.1万元。

通过使用定向长钻孔，能够达到的工作深度为500 m，依据回风顺槽1 583 m 算，则应该采用3 个钻场，若将钻场成本按照一个为8 万元来进行，则应该需要24 万元的综合成本。确保钻孔到达的预期范围，需要对钻孔进行的钻场使用定向长钻工作，这样的好处是能够有力地解决空白带问题，需到达的深度为500×3×3=4 500 m，若按照300 元/m 的成本来考虑，则需要花费C2=4 500×300+24=159 万元。

通过以上的分析可以看出C1＞C2，因此，应该采用定向长钻孔是比较适合解决空白带问题。

5 结语

1）该矿使用的钻机型号为VLD-1000-T，通过对工作面进行定向钻孔，能够解决对空白带出现的问题。

2）当工作面回采到能够覆盖的距离时，此时瓦斯浓度不会高于0.8%，从而能够确保快速高效地进行作业。

3）在相对的情况下，分析得到定向长钻孔所耗费的成本较低，所以应该使用该钻孔技术来进行作业。