千米定向钻机在山西焦煤集团的应用情况分析

杨晓红，柴文忠

(山西焦煤集团公司 通风部，山西 太原 030024)

山西焦煤集团公司是全国最大的炼焦煤生产加工企业和最大的炼焦煤市场供应商，下辖西山煤电、汾西矿业、霍州煤电、华晋焦煤以及投资公司5个煤炭子公司，矿区总面积2 616 m2，煤炭储量239.54亿t，煤层气资源储量约1 975亿m3.现有生产矿井53座，生产能力1.836亿t/年，煤与瓦斯突出矿井12座、高瓦斯矿井11座，主要分布在西山煤田以及河东煤田中部的离柳、乡宁矿区，沁水煤田东部，矿井分布区域广、差异性较大。其中，西山煤田地质构造情况为复杂类型，河东煤田中部的离柳、乡宁矿区地质构造情况为简单-中等类型。近年来，山西焦煤集团公司引进多种型号的千米定向钻机，因地制宜进行瓦斯治理，积累了一定的经验，但也存在不足，总结分析千米定向钻机的应用情况及在施工和管理过程中存在的问题并加以改进，对于山西焦煤集团公司煤矿瓦斯治理工作具有重要的意义。

1 山西焦煤集团千米定向钻机在用情况

山西焦煤集团公司目前在册千米定向钻机46台、使用35台，主要机型为VLD-1000系列、ZDY-12000LD(3500L、4000LD、4500 LD、ZDY-6000LD)、中煤CMSI系列、LDZYW-4000、ZYWL-13000DS等。其中，西山煤电集团11台、汾西矿业集团20台、华晋焦煤集团15台。

目前，山西焦煤集团公司共有外委专业定向钻进队伍4支、子分公司组建专业钻探公司2支以及矿井自行组建队伍7支。定向钻机钻进效率在1 500～3 500 m/月·台，最高日进尺达200 m/台以上。钻进效率主要受煤层赋存条件、钻场准备、搬家倒面、劳动组织、操作技能、设备管理等因素影响，一般低于1 500 m/月·台为不正常。

2 千米定向钻机治理瓦斯的主要类型及效果

千米定向钻机采用高压水驱动孔底动力马达带动钻头钻进，并通过计算机、孔底测量系统进行定位控制，能够精准造斜和纠偏调整，实现探测煤层顶底板及构造，并能按要求进行拐弯和开分支钻孔钻进，同时由于钻杆不旋转，对钻孔煤壁损伤小，钻孔成孔质量高。根据钻机特性，结合该集团煤矿地质条件和采掘部署在瓦斯抽采上形成以下主要方式。

2.1 大面积区域预抽

大面积区域预抽主要是在煤层巷道(或底板抽采巷道)内施工若干钻场，在钻场内利用千米定向钻机在顺煤层施工梳状钻孔进行大面积区域预抽或在底抽巷道钻场利用千米定向钻机穿层进入煤层中再顺煤层施工梳状钻孔进行大面积区域预抽瓦斯，平均钻孔深度600 m.其特点是能够超前对大面积区块打钻预抽，延长预抽时间实现大区块预抽消突。适用于地质构造较为简单，煤层起伏较小的煤层。在离柳矿区沙曲一、二矿，贺西矿，双柳矿应用效果较好。例如，沙曲矿3#、4#、5#煤层均为突出煤层，煤层原始瓦斯含量分别为12.55 m3/t、10.89 m3/t、12.08 m3/t，煤层透气性系数λ分别为1.78～1.89、3.524～3.785、1.99～2.23，为可抽采煤层。选择5#煤层下部13 m左右的位置开掘底抽巷，底抽巷两侧施工迈步式钻场，迈步间距25 m.利用钻场施工穿层定向长钻孔，每个钻场的钻孔辐射宽度100 m，钻孔长度500 m，煤层段不小于400 m，4煤层和5煤层交替施工，达到两个主采煤层全覆盖的要求。由于预抽时间长(12～18个月，有时可达24个月)，预抽率可达40%～50%，较好地实现了超前瓦斯治理。沙曲矿底抽巷大面积区域抽采平、剖面布置图见图1，2.

图1 沙曲矿底抽巷大面积区域抽采平面布置图

图2 沙曲矿底抽巷大面积区域抽采剖面布置图

2.2 掘进预抽条带消突

1)常规掘进条带预抽。在掘进巷道两侧钻场内施工走向钻孔进行超前预抽消突，钻孔深度600～800 m，最深900 m.掘进时，采用“一队二面”方式，即一个工作面掘进、另一个工作面预抽，循环消突、交替掘进。掘进预抽时间一般为3个月，预抽率一般在30%，该种方式在西山矿区马兰矿、东曲矿、屯兰矿、杜儿坪矿等普遍采用，基本解决了掘进过程中的瓦斯问题。

2)跨采面递进式掘进条带预抽。在已掘巷道内利用千米定向钻机长距离拐弯钻进功能，跨过下一工作面沿其顺槽掘进条带施工梳状长走向钻孔进行超前预抽消突，钻孔深度600～800 m，最深900 m.其特点是能够对待掘巷道超前接力预抽消突，大幅延长预抽时间(9个月以上，有时可达12～18个月)，预抽率达到40%以上，保证巷道连续掘进。该抽采方式在屯兰矿18205、12510、22301等工作面实施，取得了应有的效果。屯兰矿南四下组煤掘进条带消突钻孔布置图见图3.

图3 屯兰矿南四下组煤掘进条带消突钻孔布置图

2.3 对地质构造及小窑破坏区的探测

在掘进预抽钻孔施工时利用其孔底精确测量和拐弯及开分支钻进功能，在预抽煤层瓦斯的同时对地质构造精确探测及预抽消突，对于小窑破坏区还可超前探测控制，为工作面布置提供了可靠依据，避免了无效进尺，实现“一孔多用”。例如：屯兰矿南四、南五盘区地质构造复杂，利用千米定向钻机不仅对地质构造进行精确探测，而且开分支钻孔进行了预抽消突；在北三盘区12301工作面已掘巷道中利用VLD-1000钻机对相邻工作面打钻预抽的同时，对后风坪岭断层位置以及小窑破坏区精准探测，在实现预抽瓦斯的同时摸清了情况、优化了工作面布置，收到较好的效果。屯兰矿北三盘区利用千米定向钻机对后风坪岭断层及金之中小煤窑采空区探测钻孔轨迹图见图4.

图4 后风坪岭断层及金之中小煤窑采空区探测钻孔轨迹图

2.4 采面瓦斯抽采

1)采面本煤层瓦斯预抽。一种方式是利用千米定向钻机对采煤工作面施工顺层钻孔进行瓦斯抽采。例如在汾西矿业双柳矿进行采煤工作面递进式抽采，即在已掘巷道向采煤工作面打钻，覆盖范围包括下一个顺槽甚至两个顺槽，通过6个月的预抽，煤层瓦斯含量由11～13 m3/t降到5～6 m3/t，预抽率达到50%～55%，掘进巷道条带预抽率在45%.另外一种方式是对地质构造复杂、断层褶曲发育的工作面，在两侧顺槽施工本煤层抽采钻孔后，由于构造影响中间仍存在抽采空白区，可利用千米定向钻机对瓦斯抽采空白区进行打钻预抽。此种方式在屯兰矿12505工作面实施后，中间抽采空白区煤层瓦斯含量由11 m3/t降到6 m3/t，预抽率达到45%，抽采效果明显。

2)采面顶板走向长钻孔“以孔代巷”抽采。在工作面顺槽利用千米定向钻机向上开孔爬升到顶板裂隙带，施工顶板走向长钻孔抽采采煤工作面裂隙带及采空区瓦斯。该方式在吉宁矿、双柳矿、沙曲矿以及屯兰矿均有应用，能够基本解决采煤工作面上隅角瓦斯超限问题，但目前采煤工作面上隅角仍采用埋(插)管抽采、风障导风等辅助措施。例如乡宁矿区吉宁矿2102工作面利用ZYL-17000D定向钻机施工大直径顶板走向长钻孔抽采裂隙带及采空区瓦斯。采用3次成孔的方式施工，钻孔一开孔径120 mm，然后对3#、4#钻孔进行二次、三次扩孔，完孔后进行二开d165 mm扩孔，最后进行三开d203 mm扩孔,L=600～700 m，钻场抽采瓦斯量4～6 m3/min(标况)，采煤工作面上隅角平均瓦斯浓度随着顶板走向长钻孔作用的发挥显著降低，维持在1%以下，结合上隅角埋管抽采等措施可使上隅角瓦斯稳定在0.6%～0.7%.因此，应增加若干低位钻孔在上隅角3～5 m位置随顶板垮落连通采空区进行大流量抽采以替代上隅角埋管抽采、挂设风幛等设施。这种抽采方式对于直接顶为坚硬岩层可以实现，而对于破碎顶板则存在因动压影响而塌孔堵塞问题。吉宁矿2102工作面顶板走向长钻孔“以孔代巷”布置图及抽采效果图见图5，6.

3)采面下邻近层大面积抽采。在底板抽采巷道或在底抽钻场利用千米定向钻机对下邻近煤层进行大面积区域预抽，瓦斯抽采量2～8 m3/min，在沙曲一、二矿以及屯兰矿等均有应用。但应注意在底板抽采巷道或在底抽钻场内施工，而不应在本煤层巷道施工下向钻孔，否则钻孔积水积渣问题会对瓦斯抽采造成较大影响。

图5 吉宁矿2102工作面顶板走向长钻孔“以孔代巷”布置图

图6 吉宁矿2102工作面顶板走向长钻孔“以孔代巷”抽采效果图

3 定向钻机在应用过程中存在的问题及对策

从煤矿瓦斯治理实际应用情况看，定向钻机在地质条件复杂、煤层松软的煤层存在塌孔、喷孔、钻进困难、成本高等问题，在“以孔代巷”方面瓦斯治理效果也有待提高。针对山西焦煤定向钻机应用过程中出现的问题结合其煤矿瓦斯治理的发展前景，提出以下对策。

1)松软煤层或复杂地质条件钻进困难的问题。

定向钻机优势在于能施工长距离钻孔，能够根据煤层起伏或设计进行垂直或水平定向拐弯，但是在钻孔低凹以及水平拐弯处易出现积渣积水堵塞钻孔现象，对于煤层松软或过地质构造区段还会出现塌孔现象而导致堵孔喷孔，而且由于钻孔长集聚的瓦斯量大，因此较常规钻孔喷孔强度大。在实际施工过程中要注意以下事项：a)在钻孔设计上尽量避免下向钻孔施工。b)对于煤层松软地段，应沿顶(底)板施工主孔，逐段向煤层开分支孔，采用“锯齿状或羽状”钻孔的办法进行抽采，以减少松软煤层地段的钻孔长度；在完孔抽采后，应选用大直径连管，在钻口安设球阀而不得使用蝶阀，以便孔内煤岩块容易进入除渣箱内；加强日常观测，发现瓦斯抽采气量明显减小，及时用钻机进行疏通。c)地质条件复杂矿井要结合钻孔轨迹加强对地质构造的研究，判断预测断层等构造产状，指导钻孔施工及巷道设计优化工作。d)在掘进工作面揭露钻孔时应引起重视，制订安全措施。e)对于高突矿井特别松软煤层，下一步应与制造厂家联合进行“高突矿井松软煤层定向钻机压风排渣施工工艺的改进”。

2)“以孔代巷”问题。

大孔径顶板走向钻孔“以孔代巷”抽采尽管在部分矿井试验取得成功，但是受瓦斯涌出量、地质条件、顶板岩性制约以及钻孔布置参数等因素影响仍未达到理想状态，即 “U”采煤工作面上隅角不再采取埋管抽采等其它辅助手段，而处于完全安全稳定状态。需要进一步试验成功后制订相应的技术标准。

3)管理与成本问题。

目前山西焦煤集团在定向钻机使用管理方面存在型号多、管理不统一、成本差异大以及钻进效率不高等问题。特别是钻孔成本差异方面主要是由于煤层赋存条件以及设备操作管理水平造成的。以煤孔为例，成本200～600元/m，打钻成本成为制约定向钻机推广应用的主要因素，在煤层地质条件一定的情况下，关键是降低设备事故和配件损耗。建议：a)由于定向钻机配件价格较高，各子分公司定向钻机机型不应过多，应控制在3种以内，便于设备配件供应和管理。b)引入外部先进队伍带动学习(外委专业队伍不宜过多)，加强与设备厂家技术合作，大力发展自身队伍，把规范管理和提升技术操作水平作为重点。c)从集团公司层面要做好政策引导扶持，组织管理、技术、操作方面的培训、专题讲座、技术比武等服务工作，推动钻进队伍的发展壮大。

4)常规钻机改造问题。

目前山西焦煤集团常规液压钻机在钻进设备上占有绝对份额，在籍常规液压钻机总数量过剩约30%，而且在用的常规液压钻机因地质条件复杂及自身缺陷导致钻孔精确度差、抽采效率低等。定向钻机在矿井的需求量大，不仅需要大功率、长距离钻进(即千米)的定向钻机，而且需要相当数量的中等钻进距离(500 m左右)定向钻机，定向钻机数量应占钻机总数的50%以上。常规液压钻机与定向钻机的主要区别在于驱动装置和测量系统，因此常规液压钻机具备改造为定向钻机的可行性。下一步应联合定向钻进设备厂家对目前的常规液压钻机进行改造试验，节约资金、盘活闲置资产，以解决定向钻机数量不足的问题。

4 结 论

1)千米定向钻机具有普通钻机所不可比拟的优势，是煤矿抽采钻机的发展方向，具有很好的应用前景，具体打钻抽采类型要因地制宜合理选用。

2)对于目前千米定向钻机存在的问题要认真加以研究解决，同时应组织完善技术标准并规范使用。

3)对于目前山西焦煤各子公司及矿井应以规范定向钻机生产和设备管理、提升技术操作水平、降低钻进成本作为重点，大力发展自己的千米定向钻机专业施工队伍；并着眼今后发展积极推进定向钻机改进、常规液压钻机改造工作，提升山西焦煤集团公司整体瓦斯治理技术水平。