松软薄煤层定向顺层快速消突技术

李磊

摘 要：治理煤巷条带瓦斯，传统方式为机风巷施工底板穿层钻孔，该方式钻机搬运频繁、效率低，鉆孔轨迹难以控制，抽采效果不佳。定向顺层钻孔不仅深度大，且钻孔轨迹精准可控，抽采效果好，可有效保障工作面掘进期间瓦斯安全高效治理。

关键词：薄煤层;定向顺层;消突

1.工程概况

施工地点工作面标高-567.2～-665.2m，处于突出危险区，煤层厚度为1.05～2.3m，平均1.8m，煤层倾角13～34°，平均21°，煤层顶板为砂岩，底板为泥岩。煤层瓦斯放散初速度为6mmHg;煤层坚固性系数f值为0.3;煤层瓦斯压力最大值为0.69MPa，瓦斯含量最大值为6.63m3/t。

巷道走向长度196m，采用定向顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯。设计7个钻孔，中间孔（0#孔）平面沿巷道中线，两侧各布置3个钻孔，孔间距6m，控制巷道两帮轮廓线外15m。

1.1施工工艺

（一）定向钻进轨迹控制

空气螺杆马达定向钻进施工工艺主要借鉴煤矿井下液动马达定向施工工艺方法和风压空气钻进技术，并根据软煤钻进特点进行研究。

（二）空气螺杆马达定向钻进系统组成

空气螺杆马达定向钻进系统组成主要包括定向钻头、空气螺杆马达、上（下）无磁钻杆、测量探管、绝缘短节、钻杆、水便、孔口监视器、空压机和流量计等。

（三）定向钻进工艺

与液动螺杆马达一样，空气螺杆马达作为一种孔底动力钻具，其作用原理是将空气压缩机提供的高压空气通过水便、钻杆中心进入孔底空气螺杆驱动马达回转，从而带动钻头旋转切削破碎孔内煤岩层。定向钻进时，整个钻杆柱不旋转，仅孔底螺杆钻具带动钻头回转碎岩，在给进力作用下向前钻进延伸。

螺杆钻具之所以用于定向钻进，主要基于两个原因：一是空气螺杆马达的定向过程中，钻头回转破碎岩石，而整个钻具不回转;二是空气螺杆马达下端设置弯外管，使螺杆钻具弯曲，在钻压的作用下，将使钻头对孔壁四周产生不等的侧向力，从而实现造斜钻进。

钻孔轨迹控制主要通过改变孔底空气螺杆马达弯角的方向（即工具面向角）来实现。系统中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监视器内进行处理，形成钻孔实钻轨迹并显示。根据设计轨迹与实钻轨迹偏斜状况，调整工具面向角以达到调整钻孔轨迹或纠偏的目的，保证钻孔轨迹沿预定方向延伸。

2 工程实施情况

2.1 钻孔施工情况

定向顺层钻孔从2019年11月6日开始施工，于2020年1月13日结束施工，钻孔施工期间没有出现喷孔、顶钻等异常动力现象。

0#孔，定向钻进至129m见顶板砂岩，进尺到147m仍是砂岩;提钻至99m开2-1#分支，135m见顶板砂岩，持续施工至246m，仍是砂岩;提钻至105m开2-2#分支，持续施工至201m全煤，返渣量大，塌孔严重，终孔提钻，冲煤量44.28t，下筛管195m。

左3#孔，施工至73m见底板，到119m进入煤层，123m返风量非常大，提钻检查马达掉入孔内，打捞失败，冲煤量23.68t，下筛管116m。

右3#孔，施工至41m见底板，到63m进入煤层，施工至127m见岩石，提钻到孔深99米处开分支，终孔171m，冲煤量25.7t，下筛管160m。

左1#孔，施工至133m孔内出大量煤粉，终孔孔深209m，冲煤量39.64t，下筛管203m。

左2#孔，施工至180m孔内出大量煤粉，终孔孔深210m，冲煤量41.48t，下筛管190m。

补左3#孔，施工至144m孔内出大量煤粉，终孔孔深228m，冲煤量37.63t，下筛管224m。

右1#孔，施工至120m孔内出大量煤粉，终孔孔深210m，冲煤量45.65t，下筛管201m。

右2#孔，施工至156m孔内出大量煤粉，终孔孔深207m，冲煤量44.32t，下筛管202m。

补右3#孔，施工至70m见煤层底板，108m进入煤层，终孔孔深210m，冲煤量23.68t，下筛管204m。

右4#孔，终孔孔深70m，冲煤量10.5t，下筛管70m。

右5#孔，终孔孔深42m，冲煤量6.1t，下筛管42m。

补左2#孔，终孔孔深126m，冲煤量27.63t，下筛管122m。

左4#孔，终孔孔深72m，冲煤量13.5t，下筛管72m。

左5#孔，终孔孔深40m，冲煤量6.1t，下筛管40m。

补右2#孔，终孔孔深218m，冲煤量90.28t，下筛管208m。

累计成孔15个，工程量2336m，下筛管2249m，累计排煤渣480.17吨，钻孔等效直径442mm。

2.2 抽采情况

瓦斯抽采计量从2019年11月11日第一个孔合茬开始，截止2020年1月14日，0#孔累计抽采10074.1m3;左3#累计抽采5294.87m3;右3#累计抽采5273.32m3;左1#累计抽采4990.56m3;左2#累计抽采3442.97m3;补左3#累计抽采7524.39m3;右1#累计抽采4556.1m3;右2#累计抽采3114.12m3补右3#累计抽采3629.38m3。钻孔施工期间，使用临时防喷孔系统对钻孔打钻期间瓦斯进行抽采，经人工每日计量，累计抽采瓦斯11099.2m3。

3 应用效果分析

定向顺层钻孔“以钻代巷”、钻护一体，为一钻到位的瓦斯治理施工模式奠定基础，节省了底板抽采巷施工，减少了瓦斯治理钻孔工程量，仅在该实验地点就节约瓦斯治理投入约600万元，煤巷能够提前2～3个月施工，有效缓解了矿井生产接替紧张局面，实现了安全经济高效开采。

（一）瓦斯治理工程量降低

原始穿层钻孔每隔30m左右施工一个钻场，共计施工6个钻场，岩巷工程量110m，每个钻场穿层钻孔工程量3500m，钻孔工程量21000m;需安排一支掘进队伍做底抽巷和钻场，同时为满足抽采需要，还需至少铺设两趟8寸瓦斯管路，工程量380m;定向顺层钻孔的施工，只需要在巷道迎头施工一个钻场，钻孔一次施工到位，整个工作面钻孔均能控制在抽采效果有效层位内，大大提高钻孔利用率，也减少了瓦斯治理投入，定向顺层钻孔的施工。

（二）瓦斯治理时间降低

原始穿層钻孔必须在底抽巷施工钻场后方可施工穿层钻孔，往往出现钻孔台效低，钻机搬家频繁，就会影响采掘接替，留给瓦斯治理钻孔施工少，同时穿层钻孔施工的精度也较低（存在为赶施工进度盲目加钻机给进压力，影响钻孔施工精度），继而影响钻孔抽采效果，瓦斯未做到抽干、抽尽，给工作面的安全、高效回采带来隐患;定向顺层钻孔的施工，大大减少了瓦斯治理时间，定向钻孔在一次施工到位，瓦斯治理与掘进工作面生产的时空关系得到有效缓解，治灾时间提前2～3个月，大大提高了安全保障。

（三）安全风险降低

穿层钻孔施工，穿层钻场拨门次数多，巷道三岔门较多，存在拨门时加固不到位引起安全问题的风险，钻孔施工时钻机频繁的搬进、搬出，斜巷运输起重吊拉安全风险大;定向钻孔施工后，施工一个定向钻场，钻机只需要搬一次，大大降低了安全风险，为掘进工作面安全掘进夯实基础。

（四）瓦斯抽采效果明显提升

定向顺层钻孔施工结束永久合茬后共抽采瓦斯47140.5m3。钻孔施工期间，使用临时防喷孔系统对钻孔打钻期间瓦斯进行抽采，经人工每日计量，累计抽采瓦斯11099.2m3。

钻孔单孔纯流量0.22m3/min，抽采浓度100%，1个钻孔的抽采纯量和1个钻场相当。定向顺层钻孔施工期间超大排渣，累计排煤渣480.17吨，等效钻孔直径442mm。

钻孔施工结束后立即进行了效果检验，根据抽采量计算预抽区域煤层残余瓦斯含量3.90m3/t，实测残余瓦斯含量3.77m3/t，瓦斯治理达标，实现了快速消突。

参考文献

[1]参考文献：

[2]俞启香，矿井瓦斯防治[M].北京：中国矿业大学出版社，1990。

[3]张子敏，《瓦斯地质基础》 煤炭工业出版社 2008.03。

[4]张子敏，《瓦斯地质规律与瓦斯预测》煤炭工业出版社 2005.12。