回采工作面采空区瓦斯抽采定向长钻孔钻进技术研究

胡灵学

摘    要：随着矿井开采强度的提高和开采深度的加大，矿井瓦斯涌出量增大，采空区瓦斯涌出现象也加剧，工作面采空区瓦斯涌出包括三部分：即落煤瓦斯涌出、煤柱瓦斯涌出及围岩瓦斯涌出。为了消除威胁，采用普通回转钻进施工顶板高位钻孔，存在钻孔轨迹控制难，经常偏离设计层位的问题，只能采取多钻孔，增加施工量的办法，浪费人力、物力，无法保证预期效果。目前，煤矿井下成熟的定向钻进技术具有钻孔轨迹可控、精度高，目标层位钻进效率高、延伸距离长的优势。

关键词：回采工作面;高位定向长钻孔;采空区;瓦斯治理

在采场推进过程中，工作面前、后、上方一定范围的顶板内生成许多纵、横向裂隙，为煤体内的卸压瓦斯和工作面内的游移瓦斯提供了升浮的通道和储存空间，为瓦斯抽放及钻孔层位的布置提供了理论依据。当前主要采用普通钻探设备施工低位钻场高位钻孔治理裂隙带瓦斯时，存在高位孔爬坡段长，有效长度占比低;低位钻场频繁施工，确保钻孔相互压茬造成额外工程量大;低位钻场高位孔浓度衰减快;施工周期长等问题。因此，合理实施采空区、裂隙带瓦斯抽放并达到较好的效果，对于应对瓦斯超限问题显得十分必要。

一、试验区域概况

新安井田位于河南省洛阳市新安县城以北15Km，为石寺、北冶、正村及仓头四个乡管辖，地理坐标为东经12°00′230″～112°14′00″、北纬34°45′00″～34°54′30″。工业广场建在石寺镇石寺和磨吾两村的山坡上，陇海铁路、郑西高铁和连霍高速从井田南部经过，省级公路经过井田中部，煤矿的煤炭由专用铁路为其服务。《河南省煤矿防治煤与瓦斯突出十项措施》对采掘工作面瓦斯突出危险性的参数临界值指标做了明确规定，其中瓦斯含量临界值不大于6m3/t，瓦斯压力临界值不大于0.6MPa，为了缓解回采期间采空区瓦斯对采煤工作面、上隅角、回风巷的威胁，必须对工作面煤层裂隙带瓦斯进行治理，保证回采期间的安全生产。通过对矿井基本资料的研究、论证，初步制定了顶板长距离定向钻孔设计，并辅以对钻孔全程扩孔技术增大对煤层顶板裂隙带瓦斯抽采力度，为16020工作面顺利回采创造有利条件。

二、理论研究

在工作面回采过程中，工作面前、后、上方一定范围的顶板内生成许多纵、横向裂隙，为煤体内的卸压瓦斯和工作面内的游移瓦斯提供了升浮的通道和储存空间，为瓦斯抽放及钻孔层位的布置提供了理论依据。高位钻孔抽放采空区瓦斯是利用采空区上覆岩层向下移动和裂隙发育规律，形成瓦斯通道，而进行瓦斯抽采的一种方法，裂隙沿垂向方向由直接顶、基本顶逐渐向上发育的，随着上覆岩层裂隙的逐步发育、岩层的冒落，在采空区的一定位置形成冒落拱。可以看出，工作面推过程中，造成采空区冒落拱位置与工作面有一定的距离，这是由冒落拱的形成需要一固定时间形成。采空区冒落拱附近裂隙发育比较完全，在垂向上裂隙发育的范围较高。根据工作面采空区上覆岩层中裂隙发育的这个特点，为有效抽采采空区瓦斯，防治上隅角瓦斯浓度超限，工作面高位钻孔的布置应降低层位，布置在裂隙带中下部岩层内。

随着矿井开采强度的提高和开采深度的加大，矿井瓦斯涌出量增大，采空区瓦斯涌出现象也加剧。根据采空区顶板岩层移动"三带"理论和采空区内瓦斯运移规律，有效的钻孔高度应位于裂隙带范围。16020工作面采空区瓦斯涌出包括三部分：即落煤瓦斯涌出、煤柱瓦斯涌出及围岩瓦斯涌出。这几部分瓦斯随着煤层和岩层的变形、垮落而得到卸压，按照各自的涌出规律涌入采空区，然后在压力差和通风负压的作用下涌向工作面造成瓦斯超限，新安煤矿16020工作面顶板冒落带高度为10～13.4m，裂隙带高度为20～25m在此以下为弯曲下沉带。考虑到钻孔的有效利用及钻场施工的难易程度，钻孔应布置在冒落带上部与裂隙带中下部。

1.定向钻进技术

定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以是孔眼轴线或特定方向和角度，采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，使之达到目标要求。随钻测量系统主要用于近水平定向钻孔施工过程中的随钻监测，随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数，同时可实现钻孔参数、轨迹的即时孔口显示，便于施钻人员随时了解钻孔轨迹情况，并通过及时调整工具面方向和工艺参数，使钻孔尽可能的按照设计的轨迹延伸。本项目选用YHD2-1000（A）随钻测量系统。

2.煤矿井下定向钻进工艺流程

采用螺杆钻具进行煤矿井下定向钻孔主孔及分支孔施工时，根据施钻地层产状、钻孔设计要求和目的等不同，施工顺序可分为“前进式”和“后退式”两种。不管采用何种方式，都存在从主孔中定向开分支孔（即侧钻）问题，有可能还会涉及分支孔重入技术。根据矿井的实际需要，采用“前进式”钻孔工艺方法。

3.钻孔轨迹设计

钻孔轨迹设计原则：

（1）了解钻孔的用途、收集与地层相关的资料，查看钻场条件;

（2）根据业主要求合理设计钻孔，包括孔深、孔径、钻孔层位、左右布置、孔身结构等参数，轨迹尽量平滑、布孔科学，能发挥最佳使用效果;

（3）设计的定向钻场、钻孔布置应该与工作面巷道工程围岩环境、构造条件、采掘现状、排水通道、钻机能力相适应;

（4）设计合理的施工流程，按序施工，在保证钻具安全的情况下，提高施工效率。

结合16020工作面实际情况及ZDY12000LD定向钻机的相关性能，共设计5个高位定向钻孔，设计深度435m，钻孔的设计层位位于煤层顶板上方25～30m位置裂隙带范围，当工作面煤层回采后，钻孔施工孔底距离回采工作面不小于30m。

4.钻进方法及工藝

定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使钻孔轨迹按设计要求延伸至预定目标的一种钻进方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。螺杆马达进行定向孔钻进时：整个钻具不回转，只有螺杆钻具转子带动钻头回转破碎岩石钻进，实时调整螺杆钻具工具面向角，实现钻孔轨迹拐弯定向的目的。正常定向钻进时，原则上每6m对钻孔进行一次参数测定（初次使用，采用3m一测），根据测定的参数和已掌握的现场实际地质情况，调整钻进方向，力求钻孔按照设计轨迹和要求钻进。

5.钻孔施工情况

先后利用定向钻进、扩孔作业施工5个高位定向钻孔，孔深分别为438m、405m、415m、413m、423m。钻孔水平投影孔深不低于400m的近水平长深钻孔，分别控制工作面顶板25m、30m范围不同层位的钻孔。

三、定向高位钻孔瓦斯抽采效果分析

当在16020工作面上巷瓦斯治理巷施工高位近水平长深钻孔（钻孔平距大于400m）进行工作面回采期间的顶板裂隙带游离瓦斯治理工作，当前已施工完成5个水平投影孔深不低于400m的近水平长深钻孔，分别控制工作面顶板25m、30m范围不同层位的钻孔。经6個月的回采连抽后，平均抽采浓度历依然在20%左右，总体混合流量维持在5m3/min以上，累计抽采纯瓦斯量29.5万m3，为解决目前存在的高位钻孔瓦斯抽采难题提供了强力的技术支撑。

四、结论

1）本定向高位钻孔对采空区瓦斯治理效果显著，并能保持高浓度抽采;2）定向高位钻孔的高效抽采持续期长，并且无需投入大量人力进行维护;3）定向高位钻孔的施工可节省钻场、钻孔的重复施工工作，节省大量人力物力成本，在400m的回采期间，节省重复施工低位钻场8个（每个钻场进尺5m），低位钻场高位孔64个;4）此次采用的定向技术施工的高位钻孔，为实现采空区裂隙带、工作面上隅角区域瓦斯高效治理和工作面的安全回采提供了一个新的技术手段，为瓦斯抽采钻孔施工提供了一个可行的新方法，对于矿井安全高效生产有重要意义。

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