基于三带高度测定的定向长钻孔瓦斯抽采技术

武沛武

摘 要：当前煤炭行业经济形势严峻的条件下，亟需探寻一种性价比更好的区域瓦斯治理途径，“以孔代巷”区域瓦斯治理技术的提出很好地解决了这一工程难题，通过以顶、底板岩层长钻孔替代高、底抽巷穿层钻孔，不仅解决了瓦斯治理工程量大、消突成本高昂的问题，而且大大缩短了瓦斯治理周期，提高了煤炭开采效率。对于硬度较大、构造简单以及顶底板岩层水敏性不高的煤层，使用千米定向钻机在岩层中施工长钻孔具有钻进效率高、钻孔的区域覆盖性好等特点。但当煤层构造较为发育断层较多时，会造成千米定向钻机过断层钻进困难。同时煤层顶底板多为泥岩或者砂质泥岩时，岩层钻孔护孔难度也相对较大，不利于后期抽采。因此，在煤层硬度较大、构造简单、断层不发育的区域，采用“以孔代巷”区域瓦斯抽采技术，可以提高煤层瓦斯抽采效率，减少瓦斯灾害。

关键词：采空区;定向长钻孔;扩孔;瓦斯抽采

引言

在工作面顶板上覆岩层内构建引流通道对该部分瓦斯实施抽采，是实现采动裂隙卸压瓦斯治理的重要方法。经过探索总结，利用定向钻进技术施工顶板裂隙带定向长钻孔开展工作面采动卸压瓦斯抽采治理，形成了适合云煤二矿煤层顶板岩性特征的大直径岩层定向钻孔施工方法与采动卸压瓦斯治理技术，一定程度解决了工作面上隅角瓦斯问题，同时缓解了矿井瓦斯治理压力。但是当钻遇硬岩层时，大直径高位钻孔的成孔效率、质量受到现有技术装备及工艺技术的限制而显著降低，于是本文提出将辅助碎岩工具应用于大直径高位钻孔施工的不同阶段，并在云煤二矿做进一步试验。

1理论分析

煤层开始回采后，煤层顶板的裂隙带内会发育大量缝隙，这些缝隙是瓦斯流动运移的主要通道。若将抽采瓦斯的钻孔设在上述区间内，瓦斯抽采的效果将得到显著的提高。当回采煤层与邻近煤层距离较近时，随着回采工作面的推进，顶、底板围岩应力较大区域且岩性较好的岩层，受高应力作用在回采煤层的顶板上部裂隙带产生裂隙，致使采空区与邻近层形成了瓦斯运移的通道，煤岩层瓦斯通过裂隙通道涌入采空区，同时，由于煤壁落煤解吸瓦斯中的一部分也随风流涌入采空区内，随着瓦斯涌出量的增大将造成回风流瓦斯超限及上隅角瓦斯积聚，给矿井安全生产带来极大的安全隐患。以往传统工艺采用普通钻机施工高位钻孔对裂隙带瓦斯进行抽采，但该技术存在钻孔利用率低（仅为40%～50%）、钻探成本高等问题，且不能有效地治理上隅角瓦斯。与普通回转钻进工艺施工瓦斯抽采钻孔相比，定向长钻孔瓦斯抽采技术能够实现大范围区域瓦斯治理，具有钻孔抽采率高、钻孔抽采时间长、瓦斯治理投入低等优点。定向长钻孔把裂隙带发育的裂隙作为瓦斯抽采的通道，有效地对上邻近层涌出的瓦斯进行抽采，阻止其涌入到采煤工作面及上隅角，同时利用抽采负压将积聚在采空区内部的瓦斯抽入抽采管路中，有效地防止工作面及上隅角瓦斯超限。

2现场应用

2.1钻进设备

工程采用回转钻进方法开孔、扩孔与定向钻进方法施工钻孔相结合的钻进方法，所用的定向钻机为ZDY12000LD，该钻机内的基本设备有控制室、防爆型计算机、泵车等，能够使钻孔在较硬岩层内进行定向钻进施工。在开孔段使用D89mm螺旋钻杆串+D120mmPDC钻头组合，在扩孔段使用D89mm螺旋钻杆+D153mmPDC鉆头组合，下套管时使用D146mm孔口管，下至穿过煤层。钻头采用D120mm平底定向钻头，该类钻头硬度大且不易磨损，碾碎岩块效果好，钻进施工中，经常与螺杆钻具结合，同时在穿煤层后的孔段扩孔和主孔段施工完成以后使用扩孔钻头。在施工定向长钻孔时，为保证实际轨迹按照预设轨迹进行施工，以6m为测量步距监测打孔参数，发现轨迹偏离，立即纠偏。

2.2高位定向钻孔布置

根据上述研究结果可得，23304工作面采空区瓦斯定向钻孔最佳布孔位置为工作面顶板上方12.5m～27m范围内，瓦斯最佳凝聚区为30212工作面顶板上方19m左右，水平方向上为距风巷10m～17.5m的条带范围内。为验证上述研究成果，在距风巷10m～20m的条带范围内共布置定向钻孔10个，总进尺为2820m，封孔长度为20m。钻孔布置方式为梳状孔，开口孔间距为1m，终孔间距为2.5m，钻孔直径为153mm，1号终孔孔深为324m，定向钻孔的主设计方位角设定为煤矿井下定向钻孔的主延伸方向。其中232石门钻场高位定向钻孔平面布置。回采工作面高位定向钻孔平面布置见图1。

2.3随钻测量装置

钻机配套了YHD-1000（A）型随钻测量装置，主要用于对钻孔轨迹进行测量、显示及记录，并对钻孔轨迹进行纠偏，为定向钻进的关键装备。探管采用孔外供电方式，避免孔内电池因电池耗尽而撤钻;探管信号传输方式采用电流环，抗干扰能力强，传输距离远;测量装置及孔口显示器性能可靠，信号传输稳定，测量精确;可与国内外所有型号千米定向钻机、通缆钻杆等配套使用。

2.4抽采效果分析

煤层瓦斯涌出初速度和钻屑量的结果分析，煤矿采用复合指标法进行区域验证，《防治煤与瓦斯突出细则》中评价指标瓦斯涌出初速度q和钻屑量s的参考临界值分别为5L/min和6kg/m。本次统计了沿巷道方向距钻场47m位置至距钻场588.3m共计541.3m煤巷（含普通穿层钻孔治理）掘进区域验证数据，如图2所示，数据共计149组，瓦斯涌出初速度q测得结果在0～2.89L/min，有136组数据为0，13组瓦斯涌出初速度在0.18～2.89L/min，都没有达到或超过临界值，瓦斯涌出初速度q较大的区域位于距钻场220～251m及距钻场346m附近;钻屑量s取样测得结果分别在3.2～4.2kg/m，平均3.5kg/m，结果不小于4.0kg/m的取样点共有8组，位于距钻场232～250m的区域内，各测试结果均小于参数临界值，区域验证无突出危险。且验证数据与取样测量结果显示的距钻场200～350m区域存在瓦斯异常区域较为一致。

结束语

定向钻孔抽采浓度高、流量大，治理23304综采工作面采空区瓦斯的效果非常明显，通过钻孔施工数据及抽采数据分析可得出以下结论：（1）小常煤业3号煤层裂隙带最佳抽采高度在35～40m之间，钻孔轨迹可调整、可控制，可及时调整钻孔抽采高度，保证钻孔始终处于最佳抽采位置;（2）定向裂隙带抽采钻孔，瓦斯抽采浓度高、纯量大，钻场平均抽采纯量是普通邻近层瓦斯抽采钻孔的3～4倍;（3）定向钻孔抽采周期长，瓦斯抽采浓度、纯量平稳，可对采空区及邻近层瓦斯进行有效抽采控制。

参考文献

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