井下定向长钻孔高效治理瓦斯技术研究

摘 要：近年来，煤矿随着采场向深部延伸，瓦斯灾害严重程度和治理难度在不断增大，迫切需要在瓦斯治理的装备和技术上进行开拓創新，提高瓦斯治理效率和效果。本文主要介绍定向长钻孔治理采空区瓦斯施工工艺要点和特点，旨在给矿井瓦斯治理提供借鉴和参考。

关键词：高位钻孔；高端设备；技术工艺；定向施工；瓦斯抽采

1问题的提出

突出矿井突出煤层高瓦斯工作面采用传统高位钻孔治理采空区瓦斯存在技术的局限性，具体表现在以下三个方面。

（1）连续施工高位钻场占用掘进队伍。采用传统的走向高位钻孔抽采采空区瓦斯，风巷每100m布置一个钻场，单个钻场巷道工程10m，工作面回采期间需占用一支掘进队伍连续施工，且高位钻场施工均为炮掘和人工出货，掘进效率低。

（2）传统高位钻孔有效利用率低。高位钻孔有效抽采段在裂隙带，但传统高位钻孔从煤层顶板5m左右穿层施工至目标层位，大量钻孔处于裂隙带以下的抽采效果不佳或无效的冒落带。经考察，140m的钻孔有效抽采段长度仅50m左右。

（3）频繁过钻场安全风险高。工作面过钻场时，该钻场高位钻孔已失去作用，而下一轮高位钻孔刚刚进入有效抽采范围，抽采效果不佳，致使大量采空区瓦斯涌入工作面，易造成瓦斯预警或超限事故。同时过钻场时，顶板管理难度大，钻场封堵垛袋劳动强度大，安全隐患多。

2 定向高位长钻孔简介

为补齐高位钻孔短板弱项，祁南矿积极应用了长距离定向钻孔技术，利用其钻孔轨迹可控、钻孔深度大的优势，取代了传统的高位钻孔，实现了采空区瓦斯的高效治理。

3 应用实例

祁南煤矿在34下6工作面大力发展定向钻进先进适用技术，通过不断完善施工工艺，强化管理，实现了高位钻孔一钻到位、筛管到底，取代了传统的高位钻孔。

3.1工作面概况

34下6工作面位于34下采区第六区段，工作面走向长1550m，倾向长177m，标高（-605m～-718m），回采32煤层平均煤厚3.2m，实测3煤层最大原始瓦斯压力4.0MPa、最大原始瓦斯含量11.2m3/t。煤层直接顶底板为泥岩护层，老顶为砂岩顶板，岩性致密，工作面可采储量117万吨，为矿井的生产主力面。

（1）精准采前区域治理。针对高瓦斯、高压力的瓦斯灾害状况，该工作面采用穿层钻孔结合顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。首先施工底板穿层钻孔卸压抽采，然后在机巷采用大功率履带钻机按照“一孔到位”标准施工顺层钻孔，同时积极对标抽采“四化”开展示范创建，百孔瓦斯抽采纯量最高达2.0m3/min，成效显著。经区域治理后，残余瓦斯压力和瓦斯含量分别降至0.21MPa和4.25m3/t，消除了煤与瓦斯突出危险。

（2）精细回采局部治理。回采期间，严格落实老塘埋管、高位钻孔抽采等瓦斯防治措施。根据抽采效果数据考察分析，进一步优化老塘埋管步距和高位钻孔设计，不断提高抽采效果。回采期间，配风量1800m3/min，平均瓦斯涌出量20m3/min，瓦斯抽采量14m3/min，抽采率70%，杜绝了瓦斯预警、超限事故。

3.2定向高位施工工艺特点

3.2.1突出源头设计，做细一体化论证

（1）“一钻到位”钻场设计。围绕定向钻可行性充分开展安全技术经济一体化论证，按照“一钻到位”设计思路，在全面分析定向钻施工效率、工作面推进速度、高位钻场接替等因素基础上，最终确定在收作线外15m处施工施工定向钻场，全面取代10#钻场外剩余的高位钻场。定向钻场按斜巷段14°上山施工，平台尺寸长×宽×高=10m×5.5m×3m，为ZDY-12000LD型大功率钻机施工创造条件。

（2）针对性钻孔设计。在认真分析32煤顶板岩性、采空区裂隙带发育基础上，通过分析比对高位钻孔抽采最佳层位，结合工作面推进度，科学选取32煤顶板上20～24m作为定向钻孔水平施工目标层位，终孔深度700m，倾向上控制到面内平距60m位置，共设计6个孔，从设计源头上保证抽采效果最大化。

3.2.2集中优质资源，确保定向钻孔“钻到位、管到底”

（1）“高端化”钻机装备。采用国内最先进的ZDY-12000LD型钻机，BLY460履带泥浆泵站、YHD3-1500泥浆脉冲测量系统、Φ89mm螺杆马达等成套设备施工定向钻孔。委派专业化钻探队伍施工，西安煤科院现场全程进行技术指导，保证钻孔施工效果。

（2）“定制化”钻进施工。34下6工作面32煤层上覆多层泥岩，传统定向钻进孔内易发生塌孔、抱钻事故，严重制约钻孔施工深度。针对这个问题，创新使用高压水驱动孔底马达带动钻头旋转切削岩石结合钻机回转器带动钻杆旋转施工工艺，增强钻孔排渣能力，降低钻孔摩擦阻力，使定向钻孔深度最大达到700m。

（3）“信息化”施工监管。定向钻孔通过随钻测量探管将钻孔的倾角、方位角和工具面向角等数据实时传输到孔口计算机，形成钻孔实钻轨迹。利用计算机技术、网络通讯技术及多媒体技术等，实现井下钻场定向钻机随钻测量数据、相关文件的井上传输及交互共享；管理、监督人员可在井上查看指定钻场施工钻孔的实时测量数据，可对测量数据进行存储、显示、分析与处理，实现了施工数据上传的“自动化”，以及施工管理的“远程化”与“信息化”。同时还可将轨迹数据导入巷道地质资料CAD图纸中，方便结合地质资料查看钻孔施工情况，确认钻孔施工是否达到设计要求。可实现当前钻孔轨迹数据的三维显示，帮助管理人员更直观的观察施工钻孔的空间分布情况。

（4）“精细化”下筛管。高位定向钻孔因钻孔深、单孔使用周期长，一定时间后会因为泥岩缩径、地应力集中等原因而塌孔、堵孔造成钻孔报废，所以能否全程下筛管护孔直接决定了钻孔的抽采效果。但长期以来受筛管强度（特别是丝扣处）、钻孔内壁台阶高差、曲率变化等条件制约，导致“孔到位、管不到底”。为进一步精细、优化筛管设计和下筛管工艺。新型筛管中间为材质R780、壁厚6.5mm的Ф50mm筛管，在筛管两端焊接Ф73mm变径接头，同时对变径的丝型进行了改进，由传统的锥型丝改进为梯形丝，并增加了丝纹的深度，进一步提高了筛管丝扣接头处的强度。下筛管工艺方面，在筛管前端安装一个特殊加工的导向钻头，引导筛管渐进式均衡导入，有效的避免筛管被大曲率孔段以及钻孔台阶卡死。若筛管仍被卡死，可以通过回转，利用钻头将台阶磨平，或通过大曲率孔段后继续施工。通过以上工艺的实施，破解了下筛管的瓶颈问题。34下6工作面施工的定向钻孔，下筛管最深692m，真正实现了“钻到位、管到底”，保证了钻孔抽采的可靠、稳定、高效。

4 结语

通过34下6工作面过实施定向长距离钻孔，代替了6个普通高位钻场和11400m高位钻孔，节省巷道工程60m。经过后期工作面回采期间抽采效果考察，采用定向长钻孔高位钻孔平均抽采浓度达到了40%，平均抽采瓦斯纯量14m3/min，比传统高位钻孔提高了50%，保障了工作面安全高效回采。

参考文献：

[1] 定向长钻孔综合瓦斯抽采技术[J]. 李学海，苟星奎. 价值工程. 2013（05）

[2]大孔径超长定向钻孔综合瓦斯抽采技术[J]. 王明，方新秋，许瑞强，张新福. 煤炭工程. 2011（05）

[3]定向长钻孔综合抽放瓦斯方法[J]. 赵旭生，孙东玲. 煤炭科学技术. 2001（03）

作者简介：

王双剑（1980.01—），男，汉族，安徽省宿州市人，本科，助理工程师，主要从事矿井瓦斯灾害治理。