水平定向鑽孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優勢探討

水平定向鑽孔在大佛寺煤礦瓦斯抽采中的優勢探討

何建華¹張進軍²昝軍才²許超³

（1.陝西彬長礦業集團有限公司陝西鹹陽712000；2.陝西彬長集團大佛寺礦業公司陝西彬縣713500；3中煤科工集團西安研究院陝西西安710077）

摘要：煤礦井下水平定向鑽孔在煤礦瓦斯抽采中具有明顯的技術優勢。本文通過對大佛寺煤礦常規鑽孔工作麵瓦斯治理技術的03manbetx ，指出了其中不足；經過對定向長鑽孔鑽進工藝、布孔技術進行03manbetx 以及通過大佛寺煤礦現場應用，得出定向長鑽孔有利於實現工作麵瓦斯區域集中抽采的結論；瓦斯抽采統計數據03manbetx 對比證明定向長鑽孔瓦斯抽采效率要明顯優於常規鑽孔。

關鍵字：水平定向鑽進區域集中抽采抽采效率

Discussion of theAdvantageof Horizontal Directional Bore Hole

in the Realm of Regional Gas Drainagein Dafosi Coal Mine

He Jian-hua^[1]Zhang Jin-jun^[2]Zan Jun-cai^[2]Xu Chao^[3]

(1.Shaanxi Binchang Mining Group Co.,LTD; 2.Dafosi Mining Co, Shaanxi Binchang Mining Group; 3.Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Co.)

Abstract:Horizontaldirectionalbore hole underground coal mine has more technological superiorities than the conventional bore hole in the realm of gas drainage. This paper analysed the gas treatment technology of working face with conventional bore hole in Dafosi Coal Mine and pointed out the shortage. On the analysis of the drilling technology and the bore hole arrangment technology of directional bore hole and practice ,the paper drew a conclusion that directional bore hole was good for the Regional and centralized gas drainage in the working face. The data of the gas drainage proved that the gas drainage efficiency of the directional bore hole was better than the conventional bore hole.

Key Words:Horizontal Directional DrillingRegional and Centralized Gas DrainageGas Drainage Efficiency

0.概述

煤礦井下水平隨鑽定向鑽進（以下簡稱為“定向鑽進”）技術及裝備是近幾年來新興的一種主要應用於煤礦井下本煤層瓦斯抽采長鑽孔施工的鑽孔工藝技術和配套設備。與常規鑽孔（指主要采用水鑽、風鑽和螺旋鑽等采用回轉鑽進工藝施工的鑽孔^[1]）相比，定向鑽孔具有軌跡可實時精確控製、可施工分支鑽孔等技術特點；具有大深度、高穿煤率、高抽采效率、有利於大範圍區域集中抽采、一孔多用等技術優勢^[2][3]。

陝西彬長大佛寺煤礦瓦斯治理始終堅持“抽放為主、風排為輔”的方針，在采前預抽方麵，大佛寺煤礦結合自身特點，形成了多項瓦斯治理技術。大佛寺煤礦自2006年8月投產以來，隨著生產規模不斷擴大，原有的采前瓦斯預抽技術已經難以滿足當前生產需要。為了滿足新時期煤礦安全生產需要，大佛寺煤礦於2011年6月引進了一套ZDY6000LD型定向鑽機及配套裝備，並於當年7月開始應用於該礦本煤層瓦斯抽采鑽孔施工，截止2011年12月，從鑽進及抽采效果來看，該套技術及裝備的應用取得了成功。

1.大佛寺煤礦工作麵瓦斯原有區域預抽技術概況

大佛寺煤礦采前瓦斯預抽作業主要技術主要特點是在工作麵布置大量鑽孔，通過大範圍管路連接進行工作麵瓦斯預抽。采前預抽布孔工藝主要包括：扇形布孔、傾向布孔和常規長鑽孔布孔，下麵分別對這三種布孔方法進行一一介紹。

1.1扇形布孔

在工作麵順槽每間隔180m，布置一組扇形采前預抽鑽孔，每組含鑽孔15個，孔口間距1m，孔深160m-220m，孔徑113mm。布孔原理如圖1(a)所示。

a.扇形布孔

b.傾向布孔c.常規長鑽孔布孔

圖1大佛寺原有采前預抽布孔工藝

如圖所示，扇形布孔可較有效地實現預抽鑽孔的集中施工和瓦斯集中抽采，有利於降低鑽進中設備搬遷勞動強度和節約預抽管路布置；然而這種布孔方法存在鑽孔重疊施工和抽采盲區等問題，鑽孔重疊施工增加了鑽進工作量，抽采盲區問題需要通過在鑽場之間補加鑽孔來解決，不利於高效鑽進、集中抽采和節約成本；同時，扇形布置的鑽孔呈放射形分布，開孔端鑽孔集中，終孔端鑽孔分散，這導致回順一側瓦斯抽采鑽孔密度要明顯低於運順一側，不利於工作麵全麵瓦斯綜合治理。

1.2傾向布孔

在工作麵運、回順每間隔5m布置一組預抽鑽孔，每組鑽孔2個，孔深160m-180m，孔徑113mm。布孔原理如圖1（b）所示。

如圖所示，傾向布置的鑽孔可有效覆蓋整個工作麵，達到很好地采前預抽效果。然而這種布孔方法鑽孔施工量極大；鑽孔均勻地布置在順槽兩側，設備搬遷工作量大，不利於鑽孔集中施工及瓦斯集中抽采。

1.3常規長鑽孔布孔

在輔助運輸大巷及工作麵中部布置常規長鑽孔施工鑽場，每個鑽場布置2個鑽孔，孔口間距2m，孔深800m，鑽孔直徑200mm。

圖1（c）為常規長鑽孔布孔方法示意圖，由該圖得知，這種布孔方法存在大麵積的抽采盲區，對於采麵瓦斯全麵治理意義不大；從鑽進施工角度來看，施工800m的常規鑽孔存在難度大、風險高、效率低等不利因素，因此這種方法不宜推廣。

可見，大佛寺煤礦現有可行的工作麵瓦斯布孔技術普遍存在鑽孔施工工作量大、鑽進效率低、勞動強度高、不利於集中抽采等問題。為此，大佛寺煤礦嚐試采用本煤層定向長鑽孔來改善當前瓦斯抽采現狀。

2.定向鑽進

2.1定向鑽進係統裝備

大佛寺煤礦引進的定向鑽進係統裝備主要部件組成如表1所示，係統連接如圖2所示。

表1定向鑽進技術裝備組成

圖2煤礦井下水平定向鑽進係統連接示意圖

2.2定向鑽進工藝特點

定向鑽進工藝技術最顯著的特點是：鑽孔軌跡實時精確控製和開分支孔功能。定向鑽進施工人員可根據隨測量係統顯示的鑽孔軌跡狀態信息，調整孔底馬達彎頭朝向，通過鑽進實現鑽孔軌跡的人為控製；定向鑽進中可通過“低速磨削分支法”和“高速反複磨削分支法”^[4]兩種懸空開分支工藝實現本煤層分支鑽孔施工，分支鑽孔包括從主孔開出的“一級分支鑽孔”和從分支孔中開出的“次級分支鑽孔”。

2.3本煤層定向長鑽孔施工技術

目前最有效且應用最廣的本煤層長鑽孔鑽進工藝技術為“探頂——開分支——再探頂——再分支……”的鑽進工藝^[4]，如圖3所示。該方法的特點就是在鑽進過程中，每鑽進一定距離（一般為60m-100m）進行一次人為主動探頂，以探測頂板起伏情況，再提鑽一定距離（一般為18m-24m）開分支孔，使鑽孔在頂板下的煤層中向前延伸鑽進，如此不斷重複施工，直至鑽進到設計孔深。這種長鑽孔施工方法具有以下優點：

①可準確探測煤層頂板走勢，確定鑽孔空間位置，保證鑽孔在煤層中延伸；

②避免了盲目鑽進，提高了鑽孔穿煤率和鑽進效率；

③為臨近鑽孔設計、施工提供了現實依據。

圖3“探頂——開分支——再探頂——再分支……”鑽進工藝原理示意圖

2.4定向長鑽孔瓦斯區域預抽布孔及抽采技術

結合定向鑽進技術的特點以及本煤層長鑽孔鑽進工藝，在現場應用中，定向鑽進工藝技術形成了“集束”^[2]狀鑽孔布置及大麵積集中抽采技術，原理如圖4所示，這種布孔方法隻需極少數的鑽場布置（以一個長2000m、寬200m的綜采工作麵為例，隻需布置2-3個定向鑽進鑽場即可滿足工作麵瓦斯區域抽采定向鑽孔施工的需要），在每個鑽場按照預先設計施工布滿工作麵的定向鑽孔，即可實現工作麵瓦斯區域抽采。該技術具有：鑽孔集中施工、瓦斯抽采率高、鑽進效率高、可實現大範圍區域集中抽采等優勢。

圖4“集束”狀鑽孔布置及大麵積集中抽采技術原理示意圖

3.現場應用

3.1瓦斯概況

定向鑽進施工位於大佛寺煤礦40109工作麵1#鑽場，該區域主采煤層為4號煤層，屬特厚煤層，平均11.65m，煤層瓦斯含量6.305m³/t，絕對瓦斯壓力0.60MPa，百米鑽孔（常規鑽孔）瓦斯抽采流量0.029m³/min，鑽孔瓦斯流量衰減係數0.03d^-1。

3.2施工情況

圖5為40109工作麵定向長鑽孔實鑽軌跡平麵圖，共完成3個定向長鑽孔，鑽孔詳情如表2所示。

圖5 40109工作麵定向長鑽孔實鑽軌跡平麵圖

表2 40109工作麵定向長鑽孔相關參數

定向鑽進技術及裝備具有鑽孔軌跡人為精確控製及開分支孔技術特點，現場采用鑽孔集束狀布置設計和施工，實現了工作麵瓦斯大麵積區域集中抽采；同時，“探頂-開分支-再探頂-再分支…”的鑽進工藝，如圖6所示，即保證鑽孔完全在煤層中延伸，又有利於實現長鑽孔施工。

圖6 3#鑽孔剖麵軌跡圖

3.抽采效果03manbetx

鑽孔完工後，分別對2#和3#定向鑽孔瓦斯抽采數據進行了詳細采集和記錄，2#、3#鑽孔抽采數據記錄時間自2011年9月1日起至2011年12月13日，曆時104天。2#鑽孔瓦斯累計抽采量達到525031m³，日平均抽采量達到5048m³；3#鑽孔瓦斯累計抽采量達到679104m³，日平均抽采量達到6530m³。

圖7百米鑽孔瓦斯流量變化曲線

圖7為兩鑽孔每百米瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線。由圖中顯示得知，定向長鑽孔每百米瓦斯抽采流量平均達到0.2m³/min以上，遠遠高於附近常規鑽孔每百米0.029m³/min的瓦斯抽采流量。可見，定向長鑽孔對於提高瓦斯抽采效率具有顯著的作用。

4.結束語

⑴定向長鑽孔“集束”狀布孔工藝可很好地滿足煤礦井下工作麵瓦斯抽采鑽孔集中施工及瓦斯區域集中抽采的需要。

⑵大佛寺煤礦本煤層定向長鑽孔較常規鑽孔對於提高瓦斯抽采效率具有顯著優勢。

參考文獻：

[1]石智軍，胡少韻，姚寧平等.煤礦井下瓦斯抽采（放）鑽孔施工新技術[M].北京：煤炭工業出版社，2008.11.

[2]石智軍，姚寧平，葉根飛.煤礦井下瓦斯抽采鑽孔施工技術與裝備[J]．煤炭科學技術，2009，37(7):1－4．

[3]石智軍.煤礦坑道近水平鑽探機具與定向鑽進技術[J].煤科總院50年院慶論文集，2007.5.

[4]許超，李泉新，劉建林等.煤礦瓦斯抽采定向長鑽孔高效成孔工藝研究[J].金屬礦山,2011,（6）：39-54.

作者簡介：

何建華（1965--）男,安徽碭山縣人，通風安全工程師，畢業於陝西能源職業技術學院，現任陝西彬長集團通風部副經理，長期從事煤礦瓦斯安全管理工作。