李小健

（晉能控股集團有限公司晉城煤炭事業(yè)部宏圣公司，山西 晉城 048000）

引言

為順應社會經(jīng)濟發(fā)展，我國每年會開采大量煤炭資源。煤礦在形成過程中不可避免地會產(chǎn)生很多瓦斯，因此在對煤礦進行開采時，瓦斯也會隨之涌出[1]。瓦斯具有很大的危險性，遇明火可能會發(fā)生爆炸，對礦井安全構(gòu)成了嚴重威脅[2]。如何降低礦井中的瓦斯?jié)舛仁敲旱V開采過程中必須重點關(guān)注的問題[3]。實踐過程中為保障礦井安全，煤礦開采時需要進行瓦斯抽采[4]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，當前定向鉆孔技術(shù)在瓦斯抽采中得到了非常廣泛的應用，與傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法相比較而言，不僅效率更高且效果也更好，表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢[5-6]。本文主要分析了煤礦瓦斯抽采中定向鉆機成孔技術(shù)的實踐應用，對于積累定向鉆機成孔技術(shù)，推廣其應用范圍具有重要的實踐意義。

1 定向鉆機及定向鉆進基本原理

1.1 定向鉆機概述

以ZDY6000LD型定向鉆機為例進行闡述，屬于履帶式定向鉆機，通過全液壓方式進行驅(qū)動控制。該型號定向鉆機工作時具有相對較低的轉(zhuǎn)速，但可以提供很大的工作扭矩，回轉(zhuǎn)時的最大工作扭矩和最大起拔力分別可以達到6 000 N·m和180 kN。配合使用復合片鉆頭時能夠得到直徑相對較大的成孔，設(shè)計的鉆孔深度可以達到1 km。在近水平長距離鉆孔瓦斯抽采中，比較適合使用該型號的定向鉆機。為了對鉆孔過程進行實時監(jiān)測，ZDY6000LD型定向鉆機還配套使用了YHD2-1000(A)型監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1），可以對成孔軌跡參數(shù)進行實時監(jiān)測并反饋，方便定向鉆機對成孔方向軌跡進行實時調(diào)整。監(jiān)測系統(tǒng)中配備有監(jiān)視器，可以對定向鉆孔技術(shù)參數(shù)以及成孔軌跡進行實時顯示。技術(shù)人員可以通過監(jiān)視器實時掌握鉆孔進度和相關(guān)實際情況。另外，為了安裝監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)施，使用的是內(nèi)徑為73 mm的中心通覽鉆桿，監(jiān)測硬件設(shè)施可以在鉆桿中心位置進行安裝。

圖1 YHD2-1000(A)型監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

1.2 定向鉆進基本原理

圖2 定向鉆進的基本工作流程圖

如圖2所示為定向鉆進的基本工作流程圖。在煤礦瓦斯抽采中應用定向鉆機成孔技術(shù)時，首先需要根據(jù)實際情況對定向鉆進行設(shè)計，并準備好相關(guān)的機具。得到定向鉆機后還需要對螺桿馬達進行測試并安裝。上述工作準備好后就可以開始定向鉆進工作。鉆進時主要是利用高壓水對螺桿馬達進行驅(qū)動，進而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)達到鉆進的效果。整個鉆進過程需要對成孔進行實時測量，以確保鉆進軌跡與設(shè)計相吻合。如果發(fā)現(xiàn)鉆孔沒有偏離，則繼續(xù)鉆進直到完成鉆孔為止。鉆孔過程中如果發(fā)現(xiàn)成孔存在偏離現(xiàn)象，則需要立即對工具面向進行調(diào)整，使之回到正確的軌跡上來，保障成孔精度。對鉆孔進行設(shè)計時，需要充分考慮所在區(qū)域的地質(zhì)情況和煤層具體情況等，給出明確的孔深、傾角和方位角等技術(shù)參數(shù)。

2 瓦斯抽采中定向鉆機成孔技術(shù)分析

2.1 鉆場與鉆孔的設(shè)計

某煤礦中的32215綜采工作面走向長度為1 123 m，在煤礦開采過程中瓦斯的絕對涌出量和相對涌出量最大值分別達到了60 m3/min和25 m3/t。如果只是利用普通的通風系統(tǒng)，很難將礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。如果利用普通的鉆孔技術(shù)手段進行瓦斯抽放，則效率較低，需要耗費大量的時間和物力，不利于煤礦開采效率的提升。

當前階段，定向鉆機成孔技術(shù)已經(jīng)相對較為成熟，在很多煤礦中都得到了應用。為了對礦井中的瓦斯?jié)舛冗M行有效控制，在綜合考慮煤礦實際的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用定向鉆機成孔技術(shù)進行瓦斯抽采。為了確保定向鉆孔的實踐應用效果，將整個工作面劃分成為兩段，分別設(shè)置1個鉆場。兩個鉆場可以分別進行施工，互不干擾，能夠在很大程度上提升鉆孔施工的效果和質(zhì)量。其中，1號鉆場和2號鉆場分別布置在礦井中的運輸斜井和集中運輸巷中。如圖3所示為1號鉆場鉆孔軌跡示意圖。在1號鉆場中，根據(jù)瓦斯抽采半徑的實際需要，布置的主孔和分支孔數(shù)量分別為11個和8個，在2號鉆場中，同樣根據(jù)抽采半徑實際需要，確定的主孔和分支孔數(shù)量分別為11個和6個。每個定向鉆孔的深度均在400～700 m范圍內(nèi)，相鄰鉆孔之間的間距設(shè)置在10～15 m。

2.2 定向鉆孔施工工藝過程

圖3 32215綜采工作面1號鉆場鉆孔軌跡示意圖

利用ZDY6000LD型定向鉆機進行定向鉆孔時，正式開始施工前，需要對鉆機進行加固處理。在此前提下整個鉆進工藝過程可以劃分成為5個步驟：第一，開孔。將直徑為96 mm的鉆頭連接在通纜鉆桿中，鉆進深度約為12 m。再利用直徑為152 mm的鉆頭進行擴孔，擴孔深度為6 m。利用直徑為133 mm的孔口管配合使用封口劑進行封孔處理。第二，測斜儀器的安裝。將無磁鉆桿和螺桿馬達進行連接安裝，正式下鉆前需要將泥漿泵進行連接，并且對螺桿、鉆具等進行仔細檢查。第三，彎外管彎角的調(diào)整。把彎外管方向設(shè)置到零點方向，利用專業(yè)工具檢測對應的工具面向角值，該數(shù)值就是后續(xù)調(diào)整的參考值。第四，正式鉆進。嚴格按照設(shè)計要求對成孔軌跡進行設(shè)置，鉆孔過程中需要將泥漿泵開啟，可以基于泥漿泵的實時壓力推斷孔底的實際情況，在此基礎(chǔ)上對鉆機的進給壓力進行調(diào)整，避免發(fā)生意外情況。整個定向鉆孔過程中都沒間隔50～100 m需要開展探底工作。第五，終孔起鉆。完成定向鉆進工作后，將鉆頭退出。

3 定向鉆機成孔技術(shù)的實踐應用效果分析

利用定向鉆機進行鉆孔時存在一定難度，克服了煤層地質(zhì)不好等不良因素。為了分析定向鉆機成孔技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的實踐應用效果，根據(jù)設(shè)計要求完成定向鉆孔工作后，馬上進行瓦斯抽采工作。通過對數(shù)據(jù)的檢測與總結(jié)，相關(guān)結(jié)果如下：本次工程實踐中定向鉆孔深度雖然主要分布在400～700 m，但最大達到了1 020 m，且定向鉆孔的成孔率超過了80%。鉆孔穿煤率和鉆孔瓦斯體積分數(shù)分別達到了90%和53%～69%，每個定向鉆孔每分鐘可以抽采的瓦斯量在0.6～3.9 m3范圍內(nèi)。定向鉆孔與傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)手段相比較而言，單孔的有效抽采半徑顯著提升。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，1個定向鉆孔取得的效果與20～30個傳統(tǒng)鉆孔取得的效果相當，可見定向鉆孔的有效工程量有了顯著提升，最重要的是瓦斯抽采效果更加顯著。另一方面，基于定向鉆機得到的成孔，其瓦斯抽采效果可以持續(xù)發(fā)揮12～18個月，個別鉆孔持續(xù)的時間更長。但普通鉆孔能夠持續(xù)進行瓦斯抽采的時間大約為3個月，主要原因是定向鉆機得到的鉆孔其瓦斯來源更加廣泛，使得煤礦瓦斯抽放時間得到有效延長。基于以上分析可以看出，定向鉆機成孔技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的實踐應用取得了很好的效果，可以對煤礦中的瓦斯?jié)舛冗M行有效控制，為煤礦安全開采奠定堅實的基礎(chǔ)，定向鉆機成孔技術(shù)值得進一步推廣使用。

4 結(jié)語

瓦斯?jié)舛仁敲旱V開采中必須嚴格控制的參數(shù)，為盡可能降低煤礦中的瓦斯?jié)舛龋瑐鹘y(tǒng)的方法主要有兩點，一是利用通風系統(tǒng)，二是通過鉆孔進行瓦斯抽采。但傳統(tǒng)的鉆孔瓦斯抽采效果不盡如人意，無法滿足煤礦高效生產(chǎn)的需要。隨著煤礦技術(shù)水平的不斷提升，當前定向鉆機成孔技術(shù)表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，在很多煤礦中得到了應用，并取得了很好的應用效果。本文的最終研究結(jié)果表明，定向鉆機成孔技術(shù)可以顯著提升煤礦瓦斯抽采的效果，使得礦井瓦斯?jié)舛蕊@著降低。