淮河能源集团煤业分公司勘探工程处潘四东钻机工区 安徽省淮南市 232087
摘要：随着煤矿煤炭开采强度的增大，矿井开采水平逐渐向深部延伸，煤层埋藏深度越来越深，地应力、煤层瓦斯压力、瓦斯含量也呈现出增高的趋势，发生煤与瓦斯突出事故的机率与强度随之增强，瓦斯治理难度越来越大，严重影响了矿井正常的生产接续与生产安全。。
关键词：煤矿瓦斯；应用；技术措施；
引言
煤层均为突出煤层，煤质松软，煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，瓦斯因素对掘进及回采的影响较大，已成为影响矿井安全生产的重大隐患。为了有效治理煤层瓦斯，在充分调研、考察瓦斯治理新工艺、新技术的基础上，引进了定向长钻孔瓦斯超前预抽技术取得了良好的应用效果。
1瓦斯抽采的意义
目前我国煤炭资源使用量、需求量仍然较大，在这种背景下，大部分地区仍然不断进行煤矿深层煤矿开采。瓦斯是煤层中的一种易燃易爆的危险气体，当瓦斯大量涌出时，空气中瓦斯浓度急剧上升，最终会造成瓦斯超限，如果遇到高温热源进而会造成瓦斯爆炸等生产事故。而多数地区矿井中深部煤层往往瓦斯压力和瓦斯含量都比较大，突出危险性较高，严重威胁矿井安全生产。近年来，多数的煤矿瓦斯安全事故，多数是由于没有及时控制住煤层中的瓦斯所造成的。而采取煤层瓦斯预抽技术，能够最大程度上降低煤层瓦斯压力，减少煤层瓦斯含量，防止煤与瓦斯突出以及瓦斯超限的情况，保障矿井安全生产。
同时从另一方面分析，瓦斯是与天然气具有相同作用的现代清洁能源。在降低对于环境的污染同时，提升了资源的二次利用效率。煤炭开采规模较大，同时相应的瓦斯能源丰富，采用瓦斯抽采技术，能够有效调整我国资源结构，保障国家能源安全具有重大意义。
2．技术介绍
定向长钻孔钻进主要依靠螺杆钻具和钻头，螺杆钻具实现定向钻进主要基于两个原因：一是螺杆钻具工作时钻头回转破碎岩石，而钻杆不发生回转；二是通过调节螺杆钻具方向轴上的小角度弯接头（弯角多在2°以下）实现定向造斜。
根据钻孔施工工艺及瓦斯治理的目的划分，定向长钻孔灾害治理可分为以下三类：(1)顶板走向高位定向长钻孔（主要治理回采工作面上隅角及采空区瓦斯），利用多个大孔径长钻孔代替“高抽巷”，规避了巷道或钻场施工中的安全风险，同时节约了大量资金和时间； (2)回采区域顺层定向长钻孔（主要治理回采区域煤层瓦斯，适用于硬度系数高、煤层透气性高、成孔效果好的煤层），普通钻孔容易偏斜或钻孔见煤率低而在消突区域形成“空白带”，瓦斯抽采效果差，造成消突时间较长。定向钻孔可以根据煤层赋存变化精确定位，避免了以上问题。 (3)穿层定向钻孔（主要治理掘进工作面条带瓦斯，适用于硬度系数低、煤层透气性差、煤层成孔效果差的煤层）。
与传统的瓦斯抽采钻孔相比，定向钻孔可实现钻孔轨迹的精准定位，确保钻孔能施工至设计位置，避免了钻孔控制空白带的存在。另外，由于钻孔轨迹可控，在煤矿井下远距离探放水应用方面也具有明显的技术优势。
3.定向钻孔的布置设计与施工
(1)顶板走向高位定向长钻孔
根据定向钻孔抽采采空区瓦斯经验及工作面生产情况，定向钻孔布置在工作面上顺槽内，钻场距切眼500m。钻孔数量为4个，第一个钻孔距上顺槽8m左右，其他钻孔水平间距为20m左右。钻孔垂直剖面上布置在煤层顶板上方20m裂隙带内。钻孔孔径开孔孔径为φ250mm，终孔孔径为φ200mm。钻孔终孔位置位于工作面切眼正上。避免了高位钻场交替期间回风流中瓦斯浓度的变化甚至超限。在采用高位钻场治理采空区瓦斯措施时，在两个钻场交替期间常常由于前一个钻场失去作用而下一个钻场钻孔尚未与采空区沟通而失去作用、采空区瓦斯溢出到风流中，导致回风流瓦斯浓度大幅度上升、有时甚至发生瓦斯超限事故。利用定向钻孔治理采空区瓦斯后，由于不存在钻场之间的前后交替，也就避免了钻场交替时出现的瓦斯波动增大、超限情况，也大幅度提高了钻孔有效利用长度。
(2)回采区域定向长钻孔
在一条回采巷道内，根据钻孔抽采半径和煤层厚度向回采工作面及另一条设计回采巷道施工顺层钻孔。同步对工作面和回采巷道进行抽采，省去了另一条回采巷道采取穿层钻孔条带预抽防突措施需施工的专用巷道，减少了安全风险，节约了大量时间和成本。同时，顺层钻孔相对穿层钻孔钻孔利用率高，抽采效果好，为矿井生产安全接替提供了保障。
4定向钻进设备
4.1钻机是集成主机、泵站、操作台、防爆笔记本、流量计、急停开关等一体的定向钻机。适于孔底马达定向钻进和孔口回转钻进等多种施工工艺。该钻机具有结构合理、技术性能先进、钻场适应能力强、操作省力、安全可靠、运输方便等优点。主要适用于煤矿井下地质勘探孔、瓦斯抽采孔、探放水孔的施工。
4.2 钻具
钻具有钻杆、螺杆马达、通缆式送水器
（一）钻杆
按照需要的钻进工艺配套并使用了Ф73mm中心通缆钻杆和无磁钻杆两类钻杆。（1）Ф73mm中心通缆钻杆
该钻杆具有以下特点：
①钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊与钻杆相连，钻杆外径为73mm，内径为64 mm，结合施工工艺特点，通缆钻杆的长度为3m。
②在测量钻孔轨迹的过程中，通缆钻杆与随钻测量装置和地质导向随钻测量装置配合使用能够实现孔底钻孔参数的即时随钻测量。
③该钻杆刚性好、抗弯扭能力强，该钻杆设计强度既可满足螺杆马达钻进要求又可满足孔口动力回转钻进要求。
（2）无磁钻杆
该钻杆与通缆钻杆外径一致，为73mm。长度和结构根据使用的随钻测量装置确定，主要用于测量探管的仪器外管及为测量仪器提供一个无磁干扰的环境，以避免普通钢性钻杆对测量方位角造成的干扰，保证测量数据准确。
(二) 螺杆马达
采用的螺杆马达主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成。
采用螺杆马达进行钻进时，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出的冲洗液经通缆钻杆进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。这样减少了钻杆与孔壁的摩擦阻力，因而在较小动力损失的情况下就能达到较大的钻进能力。
（三）通缆式送水器
在定向钻进过程中，通缆式送水器有三方面的作用：
（1）输送高压水，驱动螺杆钻具转子旋转，带动钻头转动，完成钻孔作业；
（2）向孔口监视器传输孔底测斜单元的输出信号，方便施工人员随时掌握钻具姿态；
（3）在回转钻进过程中，向孔底输送冲洗介质，便于孔内煤粉和岩粉的排出，同时能冷却钻头的作用。因此，通缆式送水器在结构设计过程中，既要考虑其能够灵活转动和耐高压，也要保障信号的正常传输。
4.3 随钻测量装置
随钻测量装置，装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器和探管等四部分组成。
工作原理：在采用螺杆马达钻进过程中，将探管连接在螺杆马达后面，在钻进过程中进行数据测量时，防爆计算机通过通缆钻杆和通缆水便向孔内探管供电并下工作指令，探管启动工作并采集钻孔倾角、方位角、工具面向角等数据通过通缆钻杆和水便传送到防爆计算机，通过装置软件的分析处理，在防爆计算机显示器上显示钻孔参数、设计轨迹、实钻轨迹等信息，通过系统软件实现装置分析、数据处理、数据测量并以数字量形式进行显示、存贮、处理分析成图等功能。数据测量结束后，防爆计算机停止为孔内探管供电，探管停止工作。
3结语
定向钻孔施工的经济成本、时间成本、安全管理成本均低于普通钻孔，因此，定向长钻孔治理瓦斯工程具有较大的优越性。井下定向钻孔在煤矿中的应用是近年来发展起来的新工艺。它适用于煤层的瓦斯预抽、临近层瓦斯抽放和防治煤与瓦斯突出措施，在煤矿安全生产的过程中发挥着非常重要的作用。
参考文献:
[1]陈殿赋.厚煤层顶板定向钻孔技术研究与应用[J].煤矿安全
[2]吕旭明.采动裂隙带高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用探析[J].技术与市场