郭 青

（山煤國際能源集團(tuán)股份有限公司煤業(yè)分公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)寺河礦3 號(hào)主采煤層瓦斯儲(chǔ)量達(dá)54.15億m3，3號(hào)煤層噸煤瓦斯含量東井區(qū)為9.03 m3，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為486.6 m3/min，是國內(nèi)乃至世界罕見的高瓦斯礦井［1］。隨著礦井釆掘能力提高，工作面瓦斯大量涌出，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。目前的主要解決辦法之一是施工高抽巷進(jìn)行煤層氣抽釆，該種工藝雖然能夠有效的對(duì)煤層氣進(jìn)行抽釆，但是前期需要進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，工作量大，施工周期長，成本高。

自2003年以來，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備在井下順煤層瓦斯抽采鉆孔施工中取得了一定成效。寺河煤礦曾嘗試?yán)么蠊β识ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)與裝備進(jìn)行頂板定向鉆孔施工，一次鉆孔孔徑達(dá)到了120 mm，擴(kuò)孔孔徑達(dá)到了153 mm，但煤層氣抽釆量及抽釆效率較低，無法達(dá)到煤層氣高效抽釆的要求?，F(xiàn)有的隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)裝備與技術(shù)已不能適應(yīng)頂板巖層瓦斯抽采鉆孔施工需求，主要體現(xiàn)在：螺桿馬達(dá)扭矩??；無磁鉆具壽命短；大直徑鉆孔成孔效率低；小口徑先導(dǎo)孔擴(kuò)孔鉆進(jìn)難度較大；泥漿泵泵量難以滿足大直徑成孔需要；滑動(dòng)定向鉆進(jìn)效率低，平均日進(jìn)尺不足70 m；鉆孔孔徑只有96 mm，不利于高效抽采,抽采量穩(wěn)定性差；鉆孔深度小，有效進(jìn)尺短，鉆孔浪費(fèi)嚴(yán)重，工程量增加。因此，有必要選用一套目標(biāo)孔徑200 mm以上的大直徑定向鉆孔鉆進(jìn)工藝及配套設(shè)備，使其能夠快速、高效的施工大直徑定向鉆孔，并保證鉆孔軌跡的可控性，建立穩(wěn)定可靠的瓦斯抽放通道，解決現(xiàn)有小直徑定向鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采量低的問題[2-3]。

2 寺河礦采空區(qū)瓦斯來源分析

煤層開采垮落后，剖面方向上覆巖層形成裂隙，一類是層間裂隙，一類是豎向斷裂裂隙，隨著巖層破斷形成的穿層裂隙，此類裂隙是溝通上下巖層間瓦斯流動(dòng)的重要通道[4]。對(duì)于工作面兩巷處，由于煤柱的支撐作用，裂隙在兩巷側(cè)能長期存在；而工作面中部由于巖層垮落壓實(shí)，離層量很小、裂隙被壓實(shí)。因此，由下至上可以分為Ⅰ冒落帶、Ⅱ裂隙帶、Ⅲ彎曲下沉帶，A煤壁支撐區(qū)、B離層區(qū)、C重新壓實(shí)區(qū)，見圖1。因此，在剖面上瓦斯分布于垮落三帶里的裂隙帶中，因此將高位定向長鉆孔布置于裂隙發(fā)育的裂隙帶中，即可高效抽采瓦斯[5]。

圖1 工作面豎向三帶劃分

根據(jù)上文分析可得，煤層采出后，工作面中部趨近于壓實(shí)狀態(tài)，而工作面采空區(qū)周邊由于煤柱支撐作用會(huì)形成一定的裂隙區(qū)，形如O型范圍，見圖2。因此在平面上，瓦斯主要分布于采空區(qū)周邊裂隙發(fā)育的頂板巖層中，因此在平面上將鉆孔布置于采空區(qū)周邊裂隙發(fā)育頂板中，可實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采[5]。

圖2 采空區(qū)O型裂隙區(qū)分布范圍

3 大直徑定向長鉆孔成孔施工裝備及選型

根據(jù)寺河礦井下工作面具體條件分析，選用的主要設(shè)備為ZDY6000LD系列鉆機(jī)、1.25°89 mm螺桿馬達(dá)、BLY260/390/400泥漿泵車系列、73/89 mm通纜鉆桿、120/200 mm擴(kuò)孔鉆頭、98/120 mm 定向弧角鉆頭、YHD2-1000二代有纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等。

3.1 1.25°89 mm螺桿馬達(dá)選型

螺桿馬達(dá)以高壓泥漿作為動(dòng)力的一種孔底動(dòng)力鉆具。具有施工工序簡單、定向鉆進(jìn)效果好、可以和測(cè)斜儀器配合準(zhǔn)確控制鉆孔軌跡等特點(diǎn)，可控制鉆孔方位和傾角，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔的受控定向和側(cè)鉆開分支，可以靈活的實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)效果。本項(xiàng)目選用螺桿馬達(dá)作為定向鉆進(jìn)施工的特種鉆具，并對(duì)其進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)改造。通過考察調(diào)研和性能分析，并結(jié)合寺河礦井下具體條件，選用1.25°Ф89 mm的三機(jī)螺桿馬達(dá)，為提高鉆頭排渣能力，在定子外壁上銑洗螺旋槽。

3.2 配套鉆頭選型

選用Ф120 mm/Ф200 mm擴(kuò)孔鉆頭，Ф120 mm/Ф200 mm整體式錐形復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭將鉆孔直徑由Ф120 mm 擴(kuò)大至Ф200 mm，實(shí)物見圖3。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該鉆頭對(duì)寺河礦地層適應(yīng)性強(qiáng)，成孔率較高，其原因在于其布齒設(shè)計(jì)采用分層錯(cuò)峰概念，實(shí)現(xiàn)了多軌道、分層等體積切割，鉆進(jìn)阻力小，重復(fù)破碎少，施工中可一次擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔徑，相比多次成孔工藝，效率得到大幅提高。

圖3 Ф120 mm/Ф200 mm 擴(kuò)孔鉆頭

3.3 泥漿泵車選型

定向鉆進(jìn)設(shè)備配套使用的泥漿泵需具備大功率的特點(diǎn)，將提供高壓液體部件與其他輔助設(shè)備集成為一體，獨(dú)立作為泥漿泵車，鉆車和泵車通過單根液壓管路連接，泵車上設(shè)備分為兩列布置，將動(dòng)力組件、操控部件、履帶行走平臺(tái)、泥漿泵單元及瓦斯傳感儀分兩列布置于泵車平臺(tái)上。根據(jù)鉆進(jìn)過程中水力沿程損失和泥漿脈沖信號(hào)溫度傳輸需要，本項(xiàng)目的泥漿泵，具有壓力高、泵量大的特點(diǎn)，可用于孔徑Φ90～200 mm、孔深800 m的全面或取芯鉆進(jìn)，能夠完全滿足排粉、正常鉆進(jìn)和泥漿脈沖信號(hào)傳輸?shù)囊?，滿足定向鉆進(jìn)所用孔底螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基本要求，實(shí)物見圖4。

圖4 BLY400/12 型泥漿泵車

4 大直徑定向長鉆孔成孔技術(shù)施工工藝

4.1 鉆孔設(shè)計(jì)

鉆孔層位的布置與工作面開采垮落三帶分布高度息息相關(guān)，垮落帶和裂隙帶為瓦斯的傳播提供了途徑及儲(chǔ)存場所。當(dāng)工作面來壓時(shí)，儲(chǔ)存的瓦斯突然釋放容易引起瓦斯事故。結(jié)合工作面開采經(jīng)驗(yàn)在豎直方向上將鉆孔布置于垮落帶和裂隙帶交界面以上4～8 m，避開構(gòu)造復(fù)雜地層，在水平方向，根據(jù)瓦斯?jié)B流理論，將鉆孔布置于距離回風(fēng)巷2倍采高至1/3工作面寬度位置，見圖5。

圖5 鉆孔布置位置

4.2 施工方法

首先采用89 mm螺桿馬達(dá)配套120 mm鉆頭按設(shè)計(jì)軌跡完成導(dǎo)孔施工，然后采用120/200 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至200 mm，按照導(dǎo)孔軌跡擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔深，然后下入直徑193 mm封孔管進(jìn)行封孔，封孔深度超過煤巖結(jié)合面3 m，安裝瓦斯抽采管路及旋流除渣器，接入抽采系統(tǒng)。

4.3 應(yīng)用效果

采用上述大直徑定向鉆孔配套設(shè)備針對(duì)寺河礦W3302工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，自2017年7月10日至2018年12月20日，共施工鉆孔18個(gè)，總進(jìn)尺7 986 m，最大單孔深度492 m，最大孔徑Φ203 mm。通過不同孔徑的對(duì)比，Φ203 mm孔徑的鉆孔瓦斯抽放量最高能達(dá)到4.86 m3/min，平均抽放量為2.58 m3/min，Φ153 mm孔徑鉆孔的瓦斯抽放量最高能達(dá)到1.57 m3/min，平均抽放量為0.44 m3/min，平均抽放量增大5.8倍。使用泵車施工高位鉆孔，每天平均進(jìn)尺由原先的45 m，提高至90 m以上，施工效率提高1倍。

該技術(shù)在抽放量及施工進(jìn)尺方面大大提高了工作效率，單孔日增瓦斯抽放量數(shù)千方，施工效率提升一倍，可使礦井每年節(jié)省成本近1 000萬元。

5 結(jié)語

本文針對(duì)寺河礦瓦斯抽采效率低下的問題進(jìn)行了大直徑定向鉆孔技術(shù)應(yīng)用研究，得到如下結(jié)論：

1）分析了工作面瓦斯分布規(guī)律，在豎向上瓦斯主要分布于裂隙帶，在平面方向上瓦斯主要分布于采空區(qū)周邊O型區(qū)域范圍，根據(jù)瓦斯分布規(guī)律確定了瓦斯鉆孔的有效抽采范圍；

2）根據(jù)寺河礦具體地質(zhì)條件，選用了大直徑定向鉆孔相配套的專用鉆具：ZDY6000LD系列鉆機(jī)、1.25°89 mm螺桿馬達(dá)、BLY260/390/400泥漿泵車系列、73/89 mm通纜鉆桿、120/200 mm擴(kuò)孔鉆頭、98/120 mm 定向弧角鉆頭、YHD2-1000二代有纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等；

3）在寺河礦W3302工作面進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，通過分析瓦斯抽放量與進(jìn)尺速度，可以得到在此技術(shù)配套設(shè)備的應(yīng)用下，大大提高了工作面瓦斯抽放效率。