定向钻进技术在突出矿井大区域瓦斯治理中的应用

兖矿贵州能化有限公司2019年10月定向钻进技术在突出矿井大区域瓦斯治理中的应用Page2目录一、公司简介二、瓦斯地质概况三、瓦斯治理模式的演变四、定向钻机装备五、定向钻机应用情况介绍六、深化瓦斯综合治理取得的成效七、长距离定向钻孔瓦斯抽采技术规范制定情况八、面临的问题和打算Page3一、公司简介兖矿贵州能化有限公司是兖矿集团响应国家“西部大开发”和贵州省“西电东送”战略于2002年进入贵州开发建设的二级公司，下辖四对生产矿井（青龙煤矿、发耳煤矿、小屯煤矿、五轮山煤矿）、一对基建矿井（龙凤煤矿），均为煤与瓦斯突出矿井，并配套建设了洗煤厂、瓦斯电厂。设计产能规模630万吨/年（青龙煤矿设计产能120万吨/年、发耳煤矿设计产能180万吨/年、小屯煤矿设计产能60万吨/年、五轮山煤矿设计产能150万吨/年、龙凤煤矿设计产能120万吨/年），目前生产规模420万吨/年。Page4一、公司简介兖矿贵州能化有限公司连续5年保持全国安康杯先进单位荣誉称号，所属4对生产矿井均为国家一级安全生产标准化矿井、贵州省煤矿采掘机械化示范矿井。青龙煤矿、五轮山煤矿为国家级瓦斯治理示范矿井。发耳煤矿于2018年建成贵州省首个智能化综采工作面。Page5二、瓦斯地质概况能化公司所属矿井均处于贵州省黔北煤田、织纳煤田和水城煤田区域，该区域地处新华夏系第三褶皱带与沉降带和南岭纬向构造带的复合部位，构造主要为燕山运动中晚期形成，北西向复试褶皱、断裂均较发育，使得各煤田小断层、构造发育更加复杂。井田地质类型为中等偏复杂类型.所属矿井煤与瓦斯突出矿井，且煤层具有煤体松软破碎、煤层厚度薄、透气性差、煤层瓦斯含量高、压力大、煤层层位多、岩石软遇水膨胀变形等特点。Page6三、瓦斯治理模式的演变建井初期瓦斯治理模式掘进工作面顺层条带钻孔治理瓦斯采煤工作面顺层钻孔治理瓦斯2009年以前，采取本煤层边抽边掘（采）方式治理瓦斯，掘进工作面月平均进尺60m，采煤工作面月平均50m，吨煤瓦斯治理成本80-90元，瓦斯治理效果差，成本高主要表现几个方面：一是瓦斯治理与工作面作业相互制约；二是钻孔施工不到位存在控制空白带；三是消耗大量人力和物力，瓦斯治理成本高且效率低；四是不能布置大工作面；五是未对被保护层瓦斯进行卸压抽采，被保护层进行采掘作业受瓦斯制约；六是瓦斯治理设备功率小，抽采路管径小，抽采效果差；七是抽采浓度低；八是瓦斯超限频繁。Page7三、瓦斯治理模式的演变矿井瓦斯治理主导抽采模式建立掘进工作面穿层钻孔治理瓦斯采煤工作面顺层+穿层钻孔治理瓦斯2010年以来，不断探索和创新瓦斯治理模式，通过先施工底抽巷、再施工工作面顺槽的工序，形成顺层钻孔+穿层钻孔抽采保护层瓦斯、穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯、高位钻孔配采空区埋管抽采回风隅角瓦斯的抽采立体模式。Page82015年之后，研究利用定向长钻孔进行大面积区域消突。采用定向钻机选择合适位置施工煤层底板梳状定向长钻孔，进行大面积瓦斯治理，从而大量减少底抽巷工程。三、瓦斯治理模式的演变Page9四、定向钻机装备（一）ZDY6000LD（F）型全液压履带式坑道定向钻机ZDY6000LD（F）型全液压定向钻机由中煤科工集团西安研究院研制生产，泵站与机架一体分体定向履带钻机，可以实现钻孔倾角和方位角控制精准定向施工，在青龙煤矿主要用于顶板高位定向钻孔和底板梳状定向钻孔施工，在青龙煤矿最大施工长度651m。Page10四、定向钻机装备（二）ZDY4000LD(C)型全液压定向钻机ZDY4000LD(C)型全液压定向钻机由中煤科工集团西安研究院研制生产，泵站与机架一体分体定向履带钻机，可以实现钻孔倾角和方位角控制精准定向施工，主要负责顺层定向条带钻孔、顺层定向钻孔施工，在青龙煤矿最大施工长度406m。Page11五、定向钻机应用情况介绍（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔、松软煤层空气复合定向钻进技术）（三）定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理（四）定向钻进技术推广应用Page1221602工作面11613工作面设计长距离定向钻孔12个竣工钻孔13个西安煤科院负责施工总进尺6145m最深孔深601m治理采空区瓦斯11615工作面（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)设计长距离定向钻孔4个竣工钻孔4个，累计进2473m抽采一区负责施工最深孔深608m五、定向钻机应用情况介绍Page1321602轨顺高位定向钻孔布置平面图（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)五、定向钻机应用情况介绍Page14设计原则设计方案钻孔布置位于煤层顶板16～45m，控制工作面回风侧倾向长1/3钻孔设计深度550m。水平面上：距回风巷13.5m、27m、40.5m、54m。垂直面上：距煤层顶板16m、28m、38m、45m。21602工作面第二组钻孔为实例介绍（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)五、定向钻机应用情况介绍Page1521602工作面第二组钻孔为实例介绍21602轨顺里程590m高位定向长钻孔（2#钻场）自2015年10月22日中班开始施工，设计钻孔4个，实际施工5个，2015年12月18日全部钻孔施工完成，12月26日2#钻场5个钻孔开始连抽。（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)五、定向钻机应用情况介绍Page1621602工作面第二组钻孔为实例介绍21602轨顺高位定向长钻孔竣工参数表钻场-孔号施工开始时间施工完成时间终孔孔径（mm）终孔长度(m)方位角(°)倾角(°)终孔距煤层顶板距离（垂直m）终孔距回风巷右帮距离（水平m）2-1#15.10.2215.11.498369228.78-3.223122-2#15.11.415.11.12153360228.78-116262-3#15.11.1315.11.24153366228.78-129422-4#15.11.2515.12.8153303228.78-139552-5#15.12.815.12.1898384228.78-14655（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)五、定向钻机应用情况介绍Page172#钻场抽采情况工作面回采距2#钻场320m位置瓦斯浓度最大达到45%，300m位置抽采混合量最大达到45.2m³/min，310m位置瓦斯抽采纯量最大达到12.25m³/min。钻场累计抽采瓦斯240万m³。21602工作面第二组钻孔为实例介绍通过2#钻场定向高位钻孔的抽采，21602工作面采煤期间上隅角瓦斯浓度由抽采前的最高值0.72%降低到0.2--0.4%之间，生产期间瓦斯影响停机次数降低60%以上，有效保证了工作面的高效回采进度。（一）定向长钻孔采空区瓦斯治理(顶板高位定向长钻孔)五、定向钻机应用情况介绍Page18治理16煤层瓦斯21605底抽巷里程60m钻场（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）每个钻场设计8～14个钻孔抽采一区负责施工累计施工完成钻孔40个钻孔，进尺4.5万m施工模式已成熟抽采效果好二采1#、2#、3#行人通道钻场，二采三中钻场，21605底抽巷2个钻场设计4个长距离定向钻孔试验西安煤科院负责施工（前期试验）1#、2#孔未施工成功，3#、4#孔施工成功，累计进尺3771m喷孔、塌孔现象；采取下套管措施过18煤，效果较好。五、定向钻机应用情况介绍Page19二采区2#行人通道钻场钻孔平面布置图（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page20设计原则设计方案选择合适位置施工定向钻孔钻场，在钻场内施工底板梳妆定向钻孔，单孔设计深度600m。每40m~60m开设一个分支孔进入16#煤，然后沿煤层钻进60m。钻孔间距10m，直接在煤层中布孔有困难时，把主孔布置于16煤底板5m以下层位，相当于底抽巷的作用。二采三中定向钻孔施工为实例介绍（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page21钻孔剖面示意图2通过在16煤底板5-7m施工定向钻孔主孔，主孔间距10m，孔深约600m。每隔60-80m在主孔内开一个分支孔进入煤层，从而达到对二采区北东翼进行大面积区域瓦斯治理的目的。（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page22二采区北东翼定向钻孔竣工平面图（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page23二采三中定向钻孔施工为实例介绍底板梳状定向长钻孔，单孔抽采纯量大，抽采浓度高，衰减慢，钻孔抽采效率高。地点孔号孔深（m）连抽时间负压（kPa）浓度（%）混合量（m3/min）纯量（m3/min）累计抽采量（m3）二采2#行人通道钻场1#1912018.7.191966.50.750.50919672#1562018.1.191954.50.820.4575077B2#5892018.6.219.2750.550.411595873#5462017.11.271964.20.60.393465434#5672017.12.2019.271.50.50.362751455#5802018.1.1919.565.50.480.312990656#5702018.2.919.585.40.350.302392897#6122018.2.919750.550.412566758#5852017.12.219.280.50.420.341127659#5792018.4.1919.567.20.350.2413943510#5522018.5.419.274.20.30.2212197611#6002018.5.181985.70.40.34169406合计2351027（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page24二采三中定向钻孔施工为实例介绍底板梳状定向长钻孔，单孔抽采纯量大，抽采浓度高，衰减慢，钻孔抽采效率高。（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page25通过与西安煤科院、重庆煤科院合作，成功摸索出了适合青龙煤矿的底板梳状定向长钻孔施工和瓦斯抽采工艺。通过利用ZDY6000LD（F）型型定向钻机施工底板梳状定向长钻孔，对青龙煤矿一采区下部东北翼M16煤（约70万m²）进行大面积瓦斯治理，实现大区域整体区域消突，减少底抽巷工程施工约2400m。单个定向钻孔平均抽采浓度50%，平均抽采纯量0.5～1m³/min，衰减速度慢，有效保证了矿井大区域瓦斯治理效果。（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理（底板梳状定向钻孔）五、定向钻机应用情况介绍Page26青龙煤矿21606运顺采用ZDY4000LD(C)型全液压定向钻机配合使用风动马达（松软煤层空气复合定向钻进技术），设计孔深185m，百米钻孔瓦斯抽采纯量对普通钻机施工的顺层钻孔对比提高了3--5倍，有效解决了水动力介质施工顺煤层长钻孔的塌孔等问题。（二）定向长钻孔大区域超前瓦斯治理五、定向钻机应用情况介绍Page27针对采掘接续不紧张、短距离煤巷掘进工作面提前采用定向钻机治理瓦斯，减少瓦斯治理工程巷道的施工。设计原则设计方案采用左右两帮硐室及迎头施工顺层定向条带钻孔，钻孔每循环控制长度在300m以上，控制两帮轮廓线外20m。钻孔采用风动马达驱动施工钻孔，抽采半径设计2.5m-5m，封孔长度不低于15m。（三）定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理五、定向钻机应用情况介绍Page28设计示意图（三）定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理五、定向钻机应用情况介绍Page29定向顺层条带掩护钻孔竣工平面图（三）定向长钻孔煤巷条带顺层瓦斯治理五、定向钻机应用情况介绍Page302018年10月至2018年11月在青龙煤矿21601运顺采用空气复合定向钻进新工艺施工顺层定向预抽钻孔7个，累计进尺4476m,最大孔深384m。单孔平均浓度50%以上，平均瓦斯抽采