三元煤业高位定向钻孔在“三带”空间位置的优化布置与研究

彭建辉

（晋能控股煤业集团三元煤矿，山西 长治 054000）

瓦斯治理一直以来是矿井安全生产建设的重要一环，三元煤业3#煤层整体特质为透气性低，进而严重制约了瓦斯抽采浓度和抽采量，这些不利条件遏制了瓦斯的抽采工作。为提高瓦斯抽采效率，对工作面上覆岩层瓦斯抽采进行分析研究，最大限度地降低上隅角瓦斯浓度[1-8]。

1 工作面概况

（1）4302 回采工作面采用放顶煤开采方式，可采长度1001 m，切眼长度220 m，平均煤厚为7 m，采3 m 煤层，放4 m 顶煤。2012 年该矿鉴定为高瓦斯矿井，矿井相对瓦斯涌出量3.07 m3/t，矿井绝对瓦斯涌出量14.80 m3/min，回采面绝对瓦斯涌出量4.64 m3/min，掘进面绝对瓦斯涌出量4.16 m3/min。最大瓦斯含量7.37 m3/t。

（2）4302 工作面回采期间主要瓦斯涌出来源为落煤瓦斯涌出，受“U”型通风方式所限，上隅角瓦斯呈紊流状态，无法及时有效进行排放，进而引起工作面上隅角瓦斯浓度居高不下。

（3）在工作面回风顺槽布置定向钻场，在钻场内打设高位钻孔。选取工作面上覆岩层最佳抽采高度和距回风顺槽最佳水平距离，最大限度抽采出工作面煤层内瓦斯，将工作面瓦斯浓度降低到最佳回采浓度限度之内，保证工作面安全生产。

2 实验定向千米钻孔选型

（1）三元煤矿引进深孔定向千米钻机，型号为ZDY-6000LD。通过钻杆上自带马达定向驱动装置及配套电脑测量精准开孔定向技术进行钻进，克服了钻孔钻进距离不精准的问题。

（2）千米定向钻机钻进基本原理为：通过开启高压水进入钻杆前端孔内马达驱动系统，马达内部驱动系统的转子在高压水的强力冲击作用下开始工作，马达前端的内部轴承带动钻机前端的钻头进行旋转。在定向钻机钻进过程中，钻杆本身不进行旋转，马达前端的钻头进行旋转运动，进而降低钻机的负载程度。马达驱动系统可精准按照设计要求进行钻进打孔。

3 定向钻机钻孔施工设计

试验工作面为4302 工作面3#定向钻场，定向钻场距离4302 工作面切眼400 m 位置处，总计设计布置10 个顶板裂隙定向长钻孔。设计钻孔长度为375～430 m，垂直煤层顶板，高度平均分布在30～45 m 之间，距离回风顺槽水平距离为12～60 m之间。

钻孔设计参数如图1 所示。

图1 4302 工作面顶板定向长钻孔横剖面图

4 定向钻机施工工艺流程

（1）工序流程：钻场开掘→钻孔设计→移机定位→钻机开孔→组装钻具→定向钻进→成孔验收→注浆封孔→联孔抽采→数据采集。

（2）钻场开掘：按照设计要求先行在回风顺槽距切眼400 m 处位置开掘钻场，长度10 m、深度6 m 钻场一个。

（3）钻孔设计：根据回采工作面回采经验，取距煤层4～6 倍采高经验系数为钻孔设计依据，具体钻孔设计参数如图1 所示。

（4）移机定位：按照钻孔设计的方位角和倾角固定钻机，钻机前方距离开孔点煤壁的距离不小于1 m，分上下两排打设钻孔，下排钻孔开孔高度为2.5 m，上排钻孔开孔高度为3.0 m。

（5）钻机开孔：定向钻孔采用Φ153 mm 钻头配套螺杆钻具直接开孔后定向钻进，成孔退出。为保证瓦斯抽采效果，进行全长段下设钢筛管，钢筛管直径为84 mm，随后下入Φ108 mmPVC 封孔管进行注浆。

（6）组装钻具：首先把马达、DGS 和隔离钻杆、CHD 钻杆按顺序组装，连接处加螺纹紧固剂；然后进入开新孔设置界面，拖出马达，校对弯头方向，确认弯头方向为12 点；最后记录第一次测量数据。

（7）钻孔定向钻进：每6 m 进行一次测量，与定向钻孔钻进的轨迹进行对比，根据马达驱动装置钻进偏移情况调整马达钻头钻进方向。施工至设计深度后进行充分洗孔，洗孔时间不得少于30 min，以见清水为冲洗最终标准。

（8）验收：定向钻孔验收以现场清点钻杆数量和钻孔记录视频录像为准。现场验收后施工单位及时将已打设完成的钻孔现场验收表、现场钻孔钻进记录表、钻孔参数测量数据、钻孔钻进轨迹等资料复印件交验收负责人审核签字。

（9）注浆封孔：钻孔采用“两堵一注”的封孔技术，钻孔封孔压力不得小于1.0 MPa，注浆料10 袋，一袋注浆料重25 kg，封孔长度30 m，钻孔采用Φ108 mmPVC 进行封孔。封孔时注浆管及排气管选用Φ16 mm 的铝塑管。

5 定向钻孔抽采效果图

（1）通过持续一个月对工作面定向钻场的瓦斯抽采钻孔进行参数测定，从图2～图3 可以得出，根据工作面推算顶板初采垮落步距为40 m，在老顶垮落之前4#、5#、6#、7#瓦斯抽采浓度始终保持在40%以上，当顶板全部跨落后，3#、4#、9#瓦斯抽采钻孔浓度有所回落。通过参数测定可知，瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采量始终处于稳定状态的钻孔为7#钻孔和8#钻孔，其他8 个钻孔浓度虽然均保持在10%以上，但瓦斯抽采纯量表现不佳，1#、2#、9#、10#钻孔没有流量，3#、4#、5#、6#钻孔瓦斯抽采混量始终保持在0.002～0.006 m3/min 之间。从当前瓦斯抽采钻孔参数测定数据可知，7#和8#瓦斯抽采钻孔在顶板初次垮落后，瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度处于稳定水平，其他钻孔均有不同程度的降低甚至无参数。

图2 1#～5#定向长钻孔瓦斯浓度及抽采量变化曲线图

图3 6#～10#定向长钻孔瓦斯浓度及抽采量变化曲线图

（2）瓦斯抽采钻孔浓度偏低的原因为钻孔扩孔工程受工期影响，未完成整体全长段扩孔，钻场接抽至高负压管路，导致抽采负压不足，高位定向钻孔受顶板应力影响内部塌孔较为严重。同时，抽采钻孔导流管内均存在不同程度的煤渣堵孔口的问题、封孔器孔口不同程度存在积水未及时抽出问题。m3/min 左右。通过上述实验说明，3#定向千米钻场的10 个顶板裂隙定向钻孔中抽采效果最好的为7#及8#钻孔，而1#～4#钻孔由于孔径为98 mm 可能存在塌孔堵塞情况，9#及10#钻孔层位较高，导致顶板定向长钻孔整体抽采效果不佳，无法起到控制上隅角的作用。

6 4302 工作面3#定向钻场7#和8#钻孔轨迹图

（1）从图4～图7 可以看出，在老顶垮落之前，顶板定向钻孔虽然有抽采浓度但是瓦斯抽采量很小，瓦斯抽采浓度在老顶未垮落之前始终保持在40%～60%之间，单孔瓦斯抽采钻孔混量较小，始终保持在0.002～0.006 m3/min 之间。当回采工作面回采至距切眼40 m 位置后，老顶开始初次垮落，老顶来压显现。随着老顶的初次垮落，瓦斯抽采钻孔抽采量大幅度提高。从各个钻孔抽采量来看，抽采量和瓦斯抽采浓度比较稳定的是7#钻孔及8#钻孔，单孔抽采纯量在1.5～2.5 m3/min 之间，瓦斯抽采浓度保持在30%～45%之间。其他钻孔的抽采量极不稳定，而且大部分时间段抽采量非常少，近乎为0。初步判断有两个原因：一是钻孔垮落后裂隙带区域在此高度形成充分抽采裂隙通道，二是钻孔内部存在塌孔现象。从当前的抽采效果可以看出，7#孔主孔高度为35 m，8#钻孔主孔为45 m，初步可确定距顶板上35～45 m 为裂隙发育带。

图4 4302 工作面7#钻孔内错距离设计与实际成孔图

图5 4302 工作面7#钻孔垂高设计与实际成孔图

图6 4302 工作面8#钻孔内错距离设计与实际成孔图

图7 4302 工作面8#钻孔垂高设计与实际成孔图

（2）为了探明其他钻孔抽采流量较低是不是因为受7#钻孔及8#钻孔的影响，只打开7#钻孔及8#钻孔后，得出结论，在只打开7#钻孔和8#钻孔抽采时混合流量在20 m3/min 左右，浓度为35%左右，抽采纯量为7 m3/min 左右，而关闭了7#～10#钻孔，只打开1#～6#钻孔时，总瓦斯抽采混量仅为5.5 m3/min 左右，浓度为45%左右，瓦斯抽采纯量在2.5

7 结论

（1）通过对三元煤矿3#煤层上覆“三带”进行研究，发现瓦斯主要涌出通道为上覆岩层垮落后形成的裂隙带“O”型空间区域，故需从上覆“O”型裂隙带进行瓦斯抽采，方可解决工作面上隅角瓦斯涌出问题。上隅角瓦斯通过上覆岩层抽采通道形成抽采负压，进而减少向采空区涌出的瓦斯量。通过打设定向钻孔，将定向钻孔打设至裂隙带涌出通道内，进行瓦斯抽采，达到控制回采工作面上隅角瓦斯的目的。

（2）通过以上试验可知，3#定向钻场中抽采效果较好的为7#和8#定向钻孔，7#孔主孔距煤层顶板高度为35 m，距顺槽水平距离为50 m；8#钻孔主孔距煤层顶板高度为45 m，距顺槽水平距离为50 m。因此可知，三元煤矿4302 工作面最佳瓦斯抽采“O”型裂隙带区域为距煤层顶板垂距35～45 m，距顺槽水平距离为50 m，该区域为瓦斯涌出最大通道。通过以上试验，为三元煤矿后续钻场抽采奠定了坚实基础。