ZDY12000LD钻机在岳城煤矿15号煤的应用实践

寇 龙

（山西晋能控股集团有限公司，山西 晋城 048006）

岳城煤矿井田面积13.806 km2，可采煤层为3号、9号和15号煤层，现开采3号煤层，15号煤层配采工程正在进行延伸。3号煤利用定向钻机实施区域模块递进式钻孔抽采，同时利用普通钻机在掘进巷道正前及顺层施工密集钻孔抽采，对采掘工作面区域实施全覆盖抽采。但在15号煤施工普钻及定向钻孔时遇到了塌孔、压钻、见矸等问题，成孔困难，严重制约了岳城煤矿15号煤的瓦斯治理。

为了解决15号煤瓦斯治理难题[1-2]，岳城煤矿引进了ZDY12000LD定向钻机，经过不断优化钻孔设计、合理选择钻具、改进施工工艺，目前ZDY12000LD钻机在岳城煤矿取得了重大突破，平均单孔主孔深度达到了300 m以上，单孔日抽放量最高达到了1.2万m³。

1 15号煤基本情况

15号煤坚固性系数1.03～1.18，瓦斯放散初速度为40.7，最大相对瓦斯压力0.43 MPa，瓦斯含量11.39～15.36 m3/t，钻孔瓦斯衰减系数为0.035 1 d-1，煤层透气性系数为6.133 m2/MPa2·d，无煤尘爆炸性，自燃倾向性为Ⅱ类。2021年4月对15号煤层进行突出危险性鉴定，鉴定结果为无煤与瓦斯突出危险性。

2 改进方案

2.1 钻具选择

岳城煤矿组织专业人员分别到胡底煤业、寺河矿、赵庄煤业、长平公司重点针对定向钻机在酥软煤层中的先进施工技术及工艺进行了调研，结合15号煤的特点随后确定了ZDY12000LD型定向钻机的钻具选择：Φ89 mm螺旋刻槽钻杆；Φ120 mm钻头，Φ89 mm螺旋螺杆马达；无线泥浆脉冲测量系统。

2.2 工艺改进

（1）封孔工艺改进

针对15号煤煤体破碎排渣不利这一现状，将原有159 mm封孔管改为200 mm封孔管，封孔长度10 m改为封孔15 m。千米钻孔封孔示意图如图1。

图1 千米钻孔封孔示意图（m）

（2）煤体注浆固化

由于现有巷道轮廓线外20 m范围内已抽采达标，经过抽放后该区域煤体酥碎，形成破碎带，不利于定向钻孔成孔。针对施工过程中孔口煤体破碎导致无法钻进这一现状，该矿对钻场周边煤体进行喷浆，喷浆厚度100 mm，随后进行煤层注浆加固，利用普通钻机布置6个煤体注浆钻孔，孔深40 m左右，浆液为水泥加速凝剂混合，凝固后再开孔，有效防止煤壁裂隙漏水和负压短路等问题。注浆钻孔平面布置如图2。

图2 巷道正前及钻场北帮注浆孔平面布置示意图（m）

（3）钻场改进

相比于原有钻场巷道设计，此次施工提前将15号煤东轨道大巷八钻场进行起底1 m，并将底板使用水泥进行固化，相比于下行钻孔返渣不利，ZDY12000LD定向钻机卧底更便于排水、排渣和施工。上行钻孔施工剖面布置如图3。

图3 上行钻孔施工剖面布置示意图

（4）施工工艺改进

大胆尝试复合钻进工艺：遇塌孔、软煤出煤量大、压力异常等情况时，选择“旋转+拉拔式”洗孔排渣工艺，充分发挥刻槽钻杆的优越性，充分排渣，直至压力正常后方可继续钻进。

精确掌握钻孔轨迹：每个定向钻孔打印出设计全孔长度的预定顶、底和方位轨迹（每个钻孔一个设计图本），每班钻机司机在井下填绘，上井后在接班室根据实际轨迹填绘，若施工出现偏差由抽采队技术人员重新调整施工角度，避免现场钻孔与设计偏差过大。

3 钻孔施工情况

15号煤东轨道大巷八钻场设计3个千米钻孔，设计孔深均为320 m，孔间距1 m，开孔高度1.8 m。

图4 15号煤东轨大巷八钻场千米钻孔示意图（m）

15号煤东轨道大巷八钻场1号钻孔于2021年9月10日开始开孔，9月22日施工完毕退钻。1号孔开孔高度1.9 m，距顶板1.5 m，开孔方位角1.8°，开孔倾角1.9°，主孔孔深324 m，单孔长度创岳城煤矿15号煤定向长钻孔之最。同时，1号孔施工有4个探顶分支，钻孔孔深累计779 m。1号孔施工成功后又利用同样的工艺，先后施工了2、3、4号孔，主孔孔深均在300 m以上。

4 抽采效果分析

岳城煤矿已施工完成的5个千米钻孔抽采纯量高达10 m³/min，抽采浓度平均75%，地面泵站抽采浓度由原来的37.5%上升至39.5%左右，整体浓度提升2%。与普钻施工相对比，在15号煤施工一个140 m的普钻钻孔从施工完成至抽采达标平均抽采纯量为0.25 m³/min，施工40个普通钻孔抽采纯量才能达到10 m³/min，需施工5600 m进尺，但利用ZDY12000LD钻机施工定向长钻孔可减少4296 m进尺。岳城煤矿ZDY12000LD钻机在减少抽采进尺的前提下， 真正实现了抽采效果的提升。

5 结论及改进

（1）钻孔在施工初期探顶倾角太大而煤层走向较平缓，导致钻孔进入顶板后再进入煤层困难，下探煤层时施工俯角大导致钻孔上下落差较大，使钻孔排渣阻力大以及后期抽采放水十分不利，从而影响抽采效果。

改进措施：钻机司机在调整孔底马达工具面角度时必须精确，必须对孔底马达施工倾角及方位角在煤层中变化角度预判到位，防止因角度变化太多导致钻孔进入到煤层底板或顶板距离太长导致再次进入煤层困难，造成岩孔段太多、煤孔段少，或者钻孔施工上下落差大，成孔效果不理想。

（2）1号钻孔在施工至225～234 m孔段处遇软煤和破碎层，导致憋泵、无法送入水并且有压钻现象，经过长时间的旋转拉拔冲孔以及退杆再送杆依然无法继续钻进，然后退至预留分支点开分支，再施工至225～234 m孔段处沿顶板与煤层交界处，比原上下位置高出1 m左右顺利打过软煤和破碎层。

改进措施：施工时严格执行探顶，合理预留分支点，摸清楚煤层走向及软、硬煤分布情况，并在钻孔轨迹图上标出软煤及破碎区，然后尽量沿顶板下方1 m范围内硬煤层施工，防止钻孔再次进入破碎软煤区或夹矸层，导致憋泵无法钻进。

（3）钻孔在施工过程中，经常出现返渣堵塞排渣管路与孔口五通的情况。

改进措施：施工2号孔时将Φ159 mm封孔管更换为Φ200 mm封孔管，孔口五通下方Φ108 mm排渣口更换为Φ159 mm排渣口，将Φ108 mm排渣管更换为Φ159 mm排渣管，将排渣管路从孔口至抽气罐的长度缩短并吊挂平直，严禁出现拐急弯现象，从而扩大钻孔排渣通道，减少排渣阻力，避免因返出煤块颗粒大堵塞排渣管路等异常情况发生。

6 推广应用

随着岳城煤矿15号煤ZDY12000LD钻机的成功运用，15号煤区域防突措施改用定向钻机施工长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯（如图5）。

每轮掘进将由原来的100 m延伸至300 m，可少施工2个联络横川及4个钻场，掘进效率提升10%，人员工效减少投入192个工，起到了降本增效的目标。