大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用分析

　第４６卷第１０期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１０　　２０１８年１０月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｃｔ.２０１８　大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用　　　　　　　石　　浩１ꎬ２　(１.陕西省重大项目储备推进中心ꎬ陕西西安　７１００１６ꎻ２.中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:针对煤矿工作面回采后采空区瓦斯富集超限问题ꎬ研究采用螺杆马达结合随钻测量系统施工大直径高位定向长钻孔替代高抽巷及传统高位钻孔ꎬ通过受控定向钻进技术使钻孔分布在煤层顶板回采断裂带ꎬ保障煤层回采过程瓦斯抽采通道ꎮ结合在淮北矿区杨柳矿、临涣矿应用施工情况ꎬ大直径高位定向长钻孔最大瓦斯抽采体积分数９７％ꎬ日最大抽采纯量达到８２５１ｍ３ꎬ对比分析大直径高位定向长钻孔与常规高位钻孔采空区瓦斯抽采效果ꎬ结果表明ꎬ大直径高位定向长钻孔在瓦斯治理效果、成本、施工效率等方面均优于传统高位钻孔ꎬ在煤矿瓦斯治理推广有重要意义ꎮ关键词:大直径ꎻ高位定向钻孔ꎻ瓦斯抽采ꎻ瓦斯治理中图分类号:ＴＤ６４　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１０－０１９０－０６ＧａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇＳＨＩＨａｏ１ꎬ２(１.ＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔＲｅｓｅｒｖｅＰｒｏｍｏｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒꎬＸｉ’ａｎ　７１００１６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｇａｓｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔａｎｄｏｖｅｒｒｕｎｉｎｇｏａｆａｆｔｅｒｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｃｒｅｗｍｏｔｏｒｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｓｔｅａｄｏｆｈｉｇｈｐｕｍｐｉｎｇａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｍａｋｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆｅｒｏｓｉｏｎｚｏｎｅꎬｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｒｅｃｏｖｅｒｙｐｒｏｃｅｓｓｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｃｈａｎｎｅｌ.ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅｏｆＹａｎｇｌｉｕＭｉｎｅａｎｄＬｉｎｘｕ￣ａｎＭｉｎｅｉｎＨｕａｉｂｅｉＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎬｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ９７％ꎬｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｄａｉｌｙｍｉｎｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｒｅａｃｈｅｄ８２５１ｍ３ꎬｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎꎬｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｓｓｕｐｅｒｉｏｒｔｏｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｉｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔꎬｃｏｓｔａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｒｏｍｏｔｅｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓｃｏｎｔｒｏｌ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒꎻｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅꎻｇａｓｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期:２０１８－０５－１１ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１０􀆰０３０作者简介:石　浩(１９８６—)ꎬ男ꎬ江苏徐州人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:石　浩.大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１０):１９０－１９５􀆰ＳＨＩＨａｏ.Ｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１０):１９０－１９５􀆰０　引　　言瓦斯是影响煤矿安全生产五大危险因素之一ꎬ根据文献[１－２]可知ꎬ我国突出矿井占比约为１/３ꎬ国有重点矿井占比更高ꎬ矿井瓦斯事故是造成人员伤亡财产损失最大的煤矿安全事故ꎬ而瓦斯事故中较大事故占比达到６５％ꎬ极易造成重大人员伤亡ꎬ由此开展煤矿瓦斯治理技术研究意义重大ꎮ工作面回采后采空区瓦斯富集是影响煤矿瓦斯安全重要因素ꎬ常规治理手段主要采用沿风巷附近煤层顶板一定距离施工１条高抽巷ꎬ或每隔５０ｍ左右加工１个高位钻场ꎬ每个钻场沿工作面回采方向或垂直回采方向扇形施工若干个１００ｍ左右高位孔ꎬ在工作面回采后进行采空区瓦斯抽放[３－４]ꎮ高抽巷掘进施工０９１石　浩:大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用２０１８年第１０期缓慢ꎬ一条５００ｍ高抽巷掘进通常需要３~４个月时间ꎬ而加工若干高位钻场ꎬ每个高位钻场施工多个普通高位钻孔也至少需要两三个月时间ꎬ且钻机设备等搬迁费时费力ꎬ同时ꎬ高抽巷及高位钻场施工成本高昂ꎮ煤矿井下定下钻进技术在瓦斯治理、防治水及地质探测等方面应用广泛[５－８]ꎬ笔者主要研究采用大直径高位定向长钻孔代替高抽巷及普通高位钻孔ꎬ大直径高位定向钻孔技术不需额外施工高位钻场ꎬ只需在工作面回风巷一端施工１个钻场ꎬ利用定向钻进技术控制钻孔轨迹爬升至煤层顶板一定层位ꎬ根据煤层走向布置３~５个长距离定向钻孔ꎬ先导钻孔施工完成后将钻孔孔径扩至１５３ｍｍꎬ以增大工作面回采后断裂带导通范围ꎬ增加瓦斯抽采效果ꎮ对比高抽巷ꎬ高位定向长钻孔施工５个５００ｍ钻孔仅需１~２个月ꎬ成本可大幅降低ꎻ对比高位钻场及普通高位钻孔ꎬ可节省多个高位钻场施工ꎬ增加高位钻孔有效孔段距离ꎬ节省成本ꎬ提高施工效率及瓦斯抽采效果ꎮ同时对现场应用情况对比分析了大直径高位定向长钻孔与普通高位钻孔瓦斯抽采效果ꎬ针对施工过程中出现的一些问题提出新的研究方向ꎮ１　大直径高位定向长钻孔技术与施工１􀆰１　技术原理根据“三带”理论和瓦斯扩散－渗流理论的研究成果以及煤矿瓦斯防治的实践经验ꎬ采用钻孔方式抽采采动断裂带内的瓦斯是采空区瓦斯问题的有效解决途径之一ꎮ采用大直径高位定向长钻孔治理采空区瓦斯ꎬ是在煤层还未回采前ꎬ根据采空区“三带”高度计算方法ꎬ结合各矿实测断裂带高度给出开采煤层断裂带的高度[９－１０]ꎬ在满足大直径高位定向长钻孔施工适用条件的基础上ꎬ选择断裂带内的适当岩层施工水平长定向钻孔作为主孔ꎬ确保在煤层回采期间主孔通道不被破坏ꎬ之后从主孔向左右开若干分支ꎬ扩大钻孔瓦斯抽采覆盖范围ꎬ从而在煤层回采期间采空区的卸压瓦斯可以通过主孔抽采(放)ꎬ大直径高位定向长钻孔如图１所示ꎮ大直径高位定向长钻孔相比普通钻孔具有钻孔施工深度大、轨迹精确可控、增大钻孔直径提高抽采率等优点ꎮ首先ꎬ普通钻孔施工深度通常在５０~１５０ｍꎬ而大功率定向钻机定向钻孔最大施工深度已达１８００ｍ[７]ꎬ常规岩层高位定向孔施工深度一般在５００~８００ｍꎻ同时ꎬ相对于普通钻孔轨迹不可控的缺点ꎬ定向钻孔轨迹时时精确可控ꎬ可持续沿目标层位图１　高位定向长钻孔Ｆｉｇ􀆰１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ钻进ꎬ可有效减少钻场施工及无效进尺ꎬ大幅提高钻孔有效孔段ꎻ其次ꎬ相对于普通钻机转矩小问题ꎬ定向钻机最大转矩可达１２０００Ｎ􀅰ｍꎬ定向钻孔成孔后采用高强钻孔扩大孔径ꎬ提高钻孔断裂导通ꎬ从而大幅提高采空区瓦斯抽采效果ꎮ当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时ꎬ开采单一煤层的垮落带最大高度为Ｈｍ＝Ｍ－Ｗ(Ｋ－１)ｃｏｓα(１)式中:Ｍ为煤层厚度ꎻＷ为冒落过程中顶板的下沉值ꎻＫ为冒落岩石碎胀系数ꎻα为煤层倾角ꎮ１􀆰２　施工装备及选型施工根据钻孔设计深度要求ꎬ主要采用ＺＤＹ４０００ＬＤ、ＺＤＹ６０００ＬＤ、ＺＤＹ１２０００ＬＤ等系列定向钻机ꎬ及配套ＢＬＹ２６０/３９０/４６０泥浆泵车系列ꎬø８９ｍｍ/７３ｍｍ、１.２５°螺杆马达ꎬø８９ｍｍ通缆钻杆、ø７３ｍｍ通缆钻杆、ø９８/１２０ｍｍ定向弧角钻头、ø９４/１３３ｍｍ、ø１３３/１５３ｍｍ扩孔钻头ꎬＹＨＤ２－１０００二代有缆随钻测量系统等ꎮ钻机选型主要根据钻机转矩及钻孔设计施工深度确定ꎬ目前煤矿井下主流定向钻机转矩为１０００~１２０００Ｎ􀅰ｍꎬ相关配套钻杆直径７３~１２７ｍｍꎬ具备大直径高位定向长钻孔施工能力:煤层１５００ｍꎻ岩层１０００ｍꎬ其中具有代表性的钻机型号及相关参数见表１ꎮ表１　钻机型号参数Ｔａｂｌｅ１　Ｒｉｇｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ型号回转器转矩/(Ｎ􀅰ｍ)配套钻杆直径/ｍｍ主轴倾角/(°)给进力/ｋＮ额定功率/ｋＷＺＤＹ１２０００ＬＤ３０００~１２０００７３/８９/１０２/１２７－１０~２０２５０１３２ＺＤＹ６０００ＬＤ(Ｆ)１６００~６０００７３/８９－５~３０１８０９０ＺＤＹ４０００ＬＤ１０５０~４０００７３－５~２５１２３５５１９１２０１８年第１０期煤炭科学技术第４６卷１􀆰３　钻孔设计(层位布置)钻孔层位设计主要依据煤层采动断裂带高度确定ꎬ断裂带为瓦斯的扩散－渗流[１１－１２]提供了有利的通道和储存空间ꎬ在综采工作面周期来压时ꎬ采动断裂带内渗流储存的高体积分数瓦斯会在极短的时间内向采空区和工作面释放ꎬ造成工作面和上隅角瓦斯超限甚至瓦斯事故ꎬ因此ꎬ结合生产实践经验在竖直方向将钻孔层位选择在垮落带和采动断裂带交界面以上３~８ｍ的位置ꎬ结合交界面的位置以及计算公式进行计算ꎬ具体层位的选择还要综合考虑断裂带内地层的岩性组合ꎬ尽量避开构造复杂地层和水敏性地层ꎮ在横向上ꎬ根据瓦斯扩散－渗流理论以及生产实践经验ꎬ将钻孔布置在离回风巷２倍采高至１/３工作面的宽度(５~２５ｍ)的位置ꎬ如图２所示ꎮ图２　钻孔层位布置示意Ｆｉｇ􀆰２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ１􀆰４　施工方法采用ø１３３ｍｍ钻头回转开孔１２ｍꎬ依次扩孔至１９３ｍｍꎬ下入ø１７１ｍｍ孔口管１２ｍꎬ封孔后安装孔口三通、旋流除渣器及瓦斯抽采管路ꎮ下入ø９８ｍｍ弧角定向钻头ꎬ结合ø７３ｍｍ四级螺杆马达及随钻测量系统ꎬ迅速爬升至预定层位后保持在预定层位穿行ꎬ每隔５０~８０ｍ留分支点ꎬ施工至设计深度后提钻ꎬ依次扩孔至１３３、１５３ｍｍ孔径ꎮ施工过程中ꎬ利用随钻测量系统时时测量钻孔轨迹的倾角、方位角及螺杆马达工具面向角ꎬ结合钻孔深度可时时计算出钻孔空间轨迹ꎬ并通过防爆计算机显示ꎬ同时ꎬ根据实钻轨迹与设计轨迹的偏差ꎬ通过钻机回转器转动钻杆调整螺杆马达工具面向角ꎬ达到造斜及调整钻孔轨迹目的ꎬ以保证钻孔实钻轨迹符合设计要求ꎮ２　应用实例２􀆰１　淮北杨柳矿２􀆰１􀆰１　钻孔设计本次高位定向钻孔目标工作面为１０４１０工作面ꎮ１０４１０工作面自１０号煤层至本组顶界(铝质泥岩之底)ꎬ岩性由粉砂岩、砂岩、泥岩组成ꎬ１０号煤层直接顶板为长石石英砂岩ꎬ层厚２.３ｍꎬ浅灰色ꎬ中细粒ꎬ具深灰色泥质包体ꎬ局部发育ꎬ本层可局部相变为砂泥岩互层ꎮ地层倾角１０°~１５°ꎬ施工高位钻场位于１０４１０回风巷终采线靠近工作面一侧ꎬ距离回风巷巷口平距１５ｍꎬ垂距９.５ｍ处ꎮ定向