淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿
摘要：一直以来如何采取有效措施降低煤矿开采过程中瓦斯的涌出量是煤矿企业面临的重要问题。通过钻孔的方法对煤层中的瓦斯进行抽采，是比较有效的瓦斯涌出量控制方法，但该方法对于松软突出煤层而言，效果不尽如人意。目前基于定向钻机的成孔技术在煤矿工程实践中取得了较好的应用，有效解决了传统钻孔瓦斯抽采中暴露出的问题。
关键词：煤矿瓦斯抽采定向钻机成孔技术
引言
煤矿井下采用稳定组合钻具控制钻孔方向的方法最先开始于20世纪70年代的美国，但在煤矿井下应用效果最好的却是德国。经过多年努力，中国煤矿用井下钻孔技术与装备有了很大发展，煤炭科学研究总院西安研究院研制的ZDY6000LD(F)深孔履带定向钻机填补了中国自主开发的煤矿井下深孔履带定向钻机的空白，充分利用深孔定向钻机定向性能好、钻深大、控制抽放区域范围大、适应性强、可施工拐弯钻孔、能有效通过地质构造区、布孔方式多样等的特点，为瓦斯抽采开辟了新的道路。
1定向钻机概述
以ZDY6000LD型定向钻机为例进行阐述，属于履带式定向钻机，通过全液压方式进行驱动控制。该型号定向钻机工作时具有相对较低的转速，但可以提供很大的工作扭矩，回转时的最大工作扭矩和最大起拔力分别可以达到6000N·m和180kN。配合使用复合片钻头时能够得到直径相对较大的成孔，设计的钻孔深度可以达到1km。在近水平长距离钻孔瓦斯抽采中，比较适合使用该型号的定向钻机。为了对钻孔过程进行实时监测，ZDY6000LD型定向钻机还配套使用了YHD2-1000(A)型监测系统，可以对成孔轨迹参数进行实时监测并反馈，方便定向钻机对成孔方向轨迹进行实时调整。监测系统中配备有监视器，可以对定向钻孔技术参数以及成孔轨迹进行实时显示。技术人员可以通过监视器实时掌握钻孔进度和相关实际情况。另外，为了安装监测系统的硬件设施，使用的是内径为73mm的中心通览钻杆，监测硬件设施可以在钻杆中心位置进行安装。
1.2定向钻进基本原理
煤矿定向钻机长距离疏放顶板水技术是利用千米定向钻机超长距离疏放顶板水的一种方法。通过对矿井总体预防（瞬变电磁勘探）项目成果报告、掘进头前方区域瞬变电磁报告进行分析，来确定富水区域的范围及层位。根据前期施钻情况、煤层等高线来确定前方煤层走势，进而提出疏放水设计。利用定向钻机本身自带的轨迹测量装置，实时测量轨迹，开展疏放水钻探工程。
2深孔定向钻机研究目的
将煤炭科学研究总院西安研究院ZDY6000LD(F)深孔履带定向钻机作为试验平台，通过收集钻机在煤、岩石中钻进的试验参数，确定该钻机在不同钻进介质中的最佳钻进参数。结合东庞矿煤层地质情况，利用深孔定向钻机的精确定位和深孔施工工艺特点，在东庞矿深部水平区域采掘工作面分别进行顶板走向水平长距离钻孔采空区瓦斯抽采应用技术研究。深孔定向钻机在东庞矿瓦斯抽采方面的应用研究，不仅为东庞矿今后的瓦斯防治工作提供一种崭新的技术手段和思路方法，为全国煤矿瓦斯防治工作提供丰富的经验积累，具有宝贵的借鉴参考意义和广阔的推广应用价值，同时还对深孔定向钻机新技术在全国煤矿瓦斯抽采方面的应用起到积极推进作用，加速新装备、新技术、新工艺在煤炭行业的推广应用步伐，大大提高煤矿的生产效率。
3瓦斯抽采中定向钻机成孔技术分析
3.1地层判别技术
本项目定向钻孔目标层位为3#煤层顶板的砂岩层,由于地层的不均一性及受构造影响,局部地层存在的煤线、泥岩及破碎带区域造成孔内存在塌孔卡钻甚至钻具灭失的风险。定向钻进采取全断面切屑方式钻进,理论上在同一稳定地层中,钻压随着孔深的增加而稳定增加。针对该特征,采用观察钻压及孔口返出岩屑能快速对地层进行判别,及时调整施工层位。
钻遇泥岩时,钻进压力减小、钻进速度加快、孔口返出岩屑变为粘糊状;钻遇坚硬砂岩层时,钻进压力增加、钻进效率降低,孔口返屑为颗粒状,一般采取适当加大钻压、调整层位、或者更换回转钻进方式穿过坚硬岩层。
3.2钻场与钻孔的设计
某煤矿中的32215综采工作面走向长度为1123m，在煤矿开采过程中瓦斯的绝对涌出量和相对涌出量最大值分别达到了60m3/min和25m3/t。如果只是利用普通的通风系统，很难将矿井内的瓦斯浓度控制在安全范围内。如果利用普通的钻孔技术手段进行瓦斯抽放，则效率较低，需要耗费大量的时间和物力，不利于煤矿开采效率的提升。当前阶段，定向钻机成孔技术已经相对较为成熟，在很多煤矿中都得到了应用。为了对矿井中的瓦斯浓度进行有效控制，在综合考虑煤矿实际的基础上，现采用定向钻机成孔技术进行瓦斯抽采。为了确保定向钻孔的实践应用效果，将整个工作面划分成为两段，分别设置1个钻场。两个钻场可以分别进行施工，互不干扰，能够在很大程度上提升钻孔施工的效果和质量。
3.3稳压注浆固管技术
相比常规钻孔,定向钻孔抽采利用周期更长,对套管的密封稳固性具有更高的要求。项目采用一级⌀168mm套管结构,套管下深15m且坐落在稳定的岩层中,注浆方法在常见的“两堵一注”工艺基大角度开孔础上,增加了孔口预处理、稳压注浆、耐压试验等工艺环节。孔口预处理即在注浆之前对孔口周边较大裂隙先采用棉纱及马丽散混合充填,再进行水泥喷浆处理。待孔口周边凝固后采用水灰比1∶1的水泥浆对套管内注浆,直至水泥浆从套管外部环空流出,此时泥浆泵基本不憋压。由于水泥浆的凝固沉降作用,水泥浆沉积在套管底部,导致近孔口端一段距离为清水,继续采用水灰比0.8∶1的稠浆对孔内进行稳压循环补浆,重复以上操作3~4次,直至环空内清水完全排出并返出稠水泥浆。
4定向钻机的实践应用效果分析
为了对VLD-1000型定向钻机在松软突出煤层瓦斯抽采中的实践应用效果进行定量分析，针对定向钻孔的瓦斯抽采量和抽采浓度两个重要的技术参数进行了持续测量，选取了两个比较典型的定向钻孔进行了统计分析。对两个定向钻孔瓦斯抽采100天的数据进行了统计，平均瓦斯抽采量分别为1.39m3/min和0.94m3/min，平均瓦斯浓度分别为61.7%和49.2%，累计的瓦斯抽采量分别达到了463550m3和295200m3。在瓦斯抽采前期，不管是瓦斯抽采纯量还是瓦斯浓度均出现了很大程度的波动，但整体上随着抽采时间的不断往后推进，瓦斯抽采纯量和瓦斯浓度均有了一定程度的降低。但是在25～30周时，两个定向钻孔的瓦斯抽采存量仍然维持在1～2m3/min之间，瓦斯浓度维持在50%～65%之间。基于以上数据可知，定向钻机在松软突出煤层瓦斯抽采中的效果非常显著。
结束语
煤矿定向钻机长距离疏放顶板水技术实现了“一次开孔全覆盖”，不存在频繁移机现象，减少了移机造成的时间浪费和机电事故发生，完全实现探掘分离，减少交叉作业导致的事故发生。且定向钻机精度高，钻孔轨迹可以成图分析，对后期工程质量验收有很大帮助。
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