李小健

（晉能控股集團(tuán)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(yīng)社會經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(yán)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(diǎn)關(guān)注的問題[3]。實(shí)踐過程中為保障礦井安全，煤礦開采時需要進(jìn)行瓦斯抽采[4]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，當(dāng)前定向鉆孔技術(shù)在瓦斯抽采中得到了非常廣泛的應(yīng)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(jī)成孔技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，對于積累定向鉆機(jī)成孔技術(shù)，推廣其應(yīng)用范圍具有重要的實(shí)踐意義。

1 定向鉆機(jī)及定向鉆進(jìn)基本原理

1.1 定向鉆機(jī)概述

以ZDY6000LD型定向鉆機(jī)為例進(jìn)行闡述，屬于履帶式定向鉆機(jī)，通過全液壓方式進(jìn)行驅(qū)動控制。該型號定向鉆機(jī)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(dá)到6 000 N·m和180 kN。配合使用復(fù)合片鉆頭時能夠得到直徑相對較大的成孔，設(shè)計(jì)的鉆孔深度可以達(dá)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(jī)。為了對鉆孔過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，ZDY6000LD型定向鉆機(jī)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并反饋，方便定向鉆機(jī)對成孔方向軌跡進(jìn)行實(shí)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(jìn)行實(shí)時顯示。技術(shù)人員可以通過監(jiān)視器實(shí)時掌握鉆孔進(jìn)度和相關(guān)實(shí)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(jìn)行安裝。

圖1 YHD2-1000(A)型監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

1.2 定向鉆進(jìn)基本原理

圖2 定向鉆進(jìn)的基本工作流程圖

如圖2所示為定向鉆進(jìn)的基本工作流程圖。在煤礦瓦斯抽采中應(yīng)用定向鉆機(jī)成孔技術(shù)時，首先需要根據(jù)實(shí)際情況對定向鉆進(jìn)行設(shè)計(jì)，并準(zhǔn)備好相關(guān)的機(jī)具。得到定向鉆機(jī)后還需要對螺桿馬達(dá)進(jìn)行測試并安裝。上述工作準(zhǔn)備好后就可以開始定向鉆進(jìn)工作。鉆進(jìn)時主要是利用高壓水對螺桿馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)達(dá)到鉆進(jìn)的效果。整個鉆進(jìn)過程需要對成孔進(jìn)行實(shí)時測量，以確保鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)相吻合。如果發(fā)現(xiàn)鉆孔沒有偏離，則繼續(xù)鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)成孔技術(shù)分析

2.1 鉆場與鉆孔的設(shè)計(jì)

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(dá)到了60 m3/min和25 m3/t。如果只是利用普通的通風(fēng)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(jìn)行瓦斯抽放，則效率較低，需要耗費(fèi)大量的時間和物力，不利于煤礦開采效率的提升。

當(dāng)前階段，定向鉆機(jī)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(yīng)用。為了對礦井中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效控制，在綜合考慮煤礦實(shí)際的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用定向鉆機(jī)成孔技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采。為了確保定向鉆孔的實(shí)踐應(yīng)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(jìn)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(yùn)輸斜井和集中運(yùn)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(shí)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(shí)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(jī)進(jìn)行定向鉆孔時，正式開始施工前，需要對鉆機(jī)進(jìn)行加固處理。在此前提下整個鉆進(jìn)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(jìn)深度約為12 m。再利用直徑為152 mm的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)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(jìn)行封孔處理。第二，測斜儀器的安裝。將無磁鉆桿和螺桿馬達(dá)進(jìn)行連接安裝，正式下鉆前需要將泥漿泵進(jìn)行連接，并且對螺桿、鉆具等進(jìn)行仔細(xì)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(diǎn)方向，利用專業(yè)工具檢測對應(yīng)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(jìn)。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求對成孔軌跡進(jìn)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(shí)時壓力推斷孔底的實(shí)際情況，在此基礎(chǔ)上對鉆機(jī)的進(jìn)給壓力進(jìn)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(jìn)工作后，將鉆頭退出。

3 定向鉆機(jī)成孔技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用效果分析

利用定向鉆機(jī)進(jìn)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(jī)成孔技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的實(shí)踐應(yīng)用效果，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成定向鉆孔工作后，馬上進(jìn)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(shí)踐中定向鉆孔深度雖然主要分布在400～700 m，但最大達(dá)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?jǐn)?shù)分別達(dá)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(jì)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(dāng)，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(jī)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(jìn)行瓦斯抽采的時間大約為3個月，主要原因是定向鉆機(jī)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?；谝陨戏治隹梢钥闯?，定向鉆機(jī)成孔技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的實(shí)踐應(yīng)用取得了很好的效果，可以對煤礦中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效控制，為煤礦安全開采奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，定向鉆機(jī)成孔技術(shù)值得進(jìn)一步推廣使用。

4 結(jié)語

瓦斯?jié)舛仁敲旱V開采中必須嚴(yán)格控制的參數(shù)，為盡可能降低煤礦中的瓦斯?jié)舛?，傳統(tǒng)的方法主要有兩點(diǎn)，一是利用通風(fēng)系統(tǒng)，二是通過鉆孔進(jìn)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(dāng)前定向鉆機(jī)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(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果。本文的最終研究結(jié)果表明，定向鉆機(jī)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。