矿井瓦斯治理中定向钻孔技术的应用.pdf

54/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言瓦斯作为煤的伴生物，会随着煤矿的开采不断向回采空间涌出，过高的瓦斯浓度不利于井下呼吸，且存在爆炸风险，需要合理对井下瓦斯进行控制。目前常用的瓦斯治理技术有埋管法、高抽巷法、尾巷法等方面，不过受到成本、效率、管理等方面因素影响，整体的瓦斯治理价值不高。结合新时代下钻探技术的不断发展，在水害防治、瓦斯治理和构造探测中，定向钻孔技术得到的广泛应用，且有着良好的反馈效果。因此，有必要结合案例，进行定向钻孔技术的应用讨论。1 工程概况及技术应用背景1.1 工程概述某煤矿的主采煤层为 3、6、9、11 号煤层，以 3 号和 6 号煤层进行分析，其间距均值约为 14.3m，有煤层群近距离的特点，且煤层原始瓦斯对应量为 8.8m3/t、9.6m3/t。针对3号煤层3217综采面的基本地质信息，在开采范围内存在地质构造不发育和存在局部落差断层的特点，且工作面走向、倾向长度为600m、165m。同时，在工作面顶底板特征中，顶板构成主要为泥质粉砂岩与细砂岩，底板构成主要为砂质泥岩与泥岩。在开采中决定将井下浅部3号煤层作为保护层先开采1。1.2 定向钻孔技术应用背景在 3 号煤层开采作业持续推进下，底板会陆续出现卸压裂隙，此时下方 6 号煤层的瓦斯会借助底板裂隙涌入 3 号煤层中。在对 3 号煤层 3217 工作面的瓦斯涌出量进行分析后，约 71%的瓦斯来源与下方 6 号煤层，且随着 3217 工作面的持续推进，会不断加大 6 号煤层的泄压瓦斯涌出量。该矿企以往所用的底板穿层钻孔法对下方煤层瓦斯的拦截方式，需要在处理下方 6 号煤层瓦斯中，于回风巷布置 42 个钻场，且单个钻场内包含 5个钻孔，具体钻孔开孔间距和终孔间距为 1、10m，共计210 个抽采钻孔。传统方案存在钻探工程量大、钻探设备应用简易型差和作业效率低等方面问题，需要参考定向钻孔技术，实现对卸压瓦斯的抽采处理。2 井下瓦斯治理中定向钻孔技术的应用要点 2.1 钻孔工作原则 在借助定向钻孔技术进行井下瓦斯治理时，需要关注以下钻孔设计原则：第一，需要结合井下工作面的长度、钻机施工能力和钻场位置，对钻孔孔深进行合理设计。第二，需要结合治理工作面的走向和布孔方式对主勘探线方位进行合理设计。第三，需要结合钻孔的有效抽采半径对钻孔间距进行合理设计。第四，需合理设计孔口段倾角与具体方位，确保钻孔能迅速进入目标层位，提高钻遇率2。2.2 钻孔方案布置 结合上述钻孔原则及 3、6 号煤层的基本信息，钻孔位置选择 3217 综采面的底板，布置三个定向长钻孔。具体的钻孔布置中：1 号钻孔和采面回风巷的水平距离为15m，且距离 3 号煤层底板、6 号煤层顶板约 8m；2 号钻孔和 1 号钻孔处于同一层位，且与采面回风巷间水平间距为 30m；3 号钻孔也与 1 号、2 号钻孔在同一层位，且与采面回风巷间水平间距为 45m。2.3 具体钻进流程 在 3217 综采工作面的底板进行定向长钻孔施工时，矿井瓦斯治理中定向钻孔技术的应用 张立狮（贵州盘江煤电集团有限责任公司，贵州贵阳 550000）摘要：安全工作仍是当前煤矿开采中较为关注的要点，基于矿井瓦斯对实际生产的影响，需要关注定向钻孔技术的应用，对综采工作面的瓦斯涌出量进行控制。在实际瓦斯治理中，定向钻孔技术易受到设备选型、轨迹控制等方面因素影响，制约了定向钻孔技术价值的发挥，如何有效了解钻孔各环节的落实要点，也成为当前煤矿矿企需要思考的问题。为此，结合实际工程，分析定向钻孔技术的现场应用要点，讨论瓦斯抽采的实际效果，以期望可以控制井下瓦斯涌出隐患，提高煤矿生产安全性。关键词：瓦斯治理；定向钻孔；技术应用2023.7 矿业装备/55重要的施工工艺有回转开孔、定向钻进、钻孔测量和修复轨迹等方面，需要企业结合有效的施工工艺，提高和施工效果。具体的施工流程可以参考图 1。2.4 钻孔轨迹控制 定向钻孔的工作原理是螺杆钻具借助高压水的驱动进行工作，在钻头旋转下完成对岩石的破碎。需要置注意的是，一般钻头回转，螺杆钻具的外管和钻杆柱不回转，且在螺杆钻具的前方设有弯外管，可以结合测量系统的钻孔数据对钻进参数进行调整，确保钻孔具有方向正确性。在探管对钻进过程进行监测时，会对钻孔中的方位角、开孔倾角与钻孔深度等方面数据进行测量。当了解实际钻孔的数据后，可以借助钻杆角度的转动调整，实现对钻进方向的调整，一般结合设计轨迹和实测轨迹的差异，需要在轨迹控制方法中合理落实增斜、降方位、降斜和稳斜等方式，确保钻孔轨迹可以和预设轨迹吻合。2.5 钻进设备选型在定向钻进的设备选型和搭配中，整体可以将设备分为动力设备、钻具部分和测量系统三方面。在动力设备中，主要有钻机（DZY12000LD）、泥浆泵（BW600/10），前者可以为钻进设备提供动力，后者可以提供动力及冲洗液。在钻具组成中，有钻头（PDC 钻头，直径 120mm）、统揽钻杆（长 1500，直径 89mm）、钻具（长 1500mm、直径 89mm）、螺杆马达（7LDZ897.0-4）。在测量系统中有探管（YHD2-1000J-A）、防爆计算机（YHD2-1000J），分别对钻进参数进行测量和记录。目前，该套设备组合可以有效应用在防治水、防灭火、地质构造探测和瓦斯治理等领域中。在钻孔施工中选择二开结构，具体要求有以下几点：第一，一开施工需要先用 98mm 与 153mm 的钻头进行预钻进，然后在153mm 与 193mm 的钻头支持下进行扩孔，最后将孔口管置于稳定岩层中。第二，二开施工选择定向钻机，配备钻头（120mm）、孔底马达（89mm）、无磁钻杆和通缆钻杆等，且回转透孔应采用普通钻杆（89mm）。3 应用定向钻孔技术的抽采效果讨论 在进行定向长钻孔施工后，要接入煤矿瓦斯抽取系统中，对实际的瓦斯抽取情况进行检测和数据的收集，判断该技术方案在 3217 综采工作面中的应用效果。通过一段时间的数据监测，1-3 号的定向钻孔瓦斯浓度分别在 77.5%、53.1%、44.8%，且纯量为 5.2m3/min、4.3m3/min、2.8m3/min，即使各钻孔的瓦斯抽取浓度存在差异，不过瓦斯抽采浓度与纯量均具有较高值，能实现对 6 号煤层卸压瓦斯的拦截3。基于对定向钻孔抽采数据的整理分析，回风巷及回风隅角在抽采前瓦斯的浓度最高数值分别为0.5%、0.74%，具有一定的瓦斯超限风险。在落实定向钻孔瓦斯抽采方案后，具有两方面价值，既能做好 6 号煤层卸压瓦斯的拦截，也能有效降低回风巷及回风隅角的瓦斯浓度，经统计分析瓦斯浓度数值各降至 0.26%、0.46%，可以说明以上定向钻孔技术方案的应用具有合理有效性。4 结束语结合常规瓦斯抽取所存在的钻孔量大和作业强度高的问题，可借助定向钻孔技术的应用实现井下瓦斯的有效治理。基于回采中 3217 综采工作面的瓦斯治理需求，可以通过定向钻孔技术的应用，通过底板钻孔对 6 号煤层的卸压瓦斯进行拦截与抽采，具有长距离、无盲区的抽采优势。在分析该技术的应用要点后，为了验证该技术在 3217 综采工作面的具体应用效果，需在 3 号煤层底板下方 8m 位置布置定向钻孔进行抽采，最终可确保采面回风巷、回风隅角的瓦斯浓度控制在 0.26%、0.46%，工作面的回采具有较高安全性，可满足企业需要。参考文献1 冯艳阳.定向钻孔在矿井瓦斯治理中的应用 J.山西冶金,2021,44(6):253-254.2 许杰.顶板定向长钻孔在矿井瓦斯治理中的应用 J.煤炭与化工,2019,42(12):102-105.3 石浩,张杰,何乐.高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理中的应用 J.探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(7):37-40.图1 钻孔施工工艺流程