深孔定向千米钻机-在高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井中的应用

深孔定向千米钻机

在高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井瓦斯治理方面的应用

张亚文

一、矿井简介

山西华晋吉宁煤业有限公司吉宁煤矿是华晋集团标准化矿井，现生产煤层是2#煤层，

二、瓦斯抽放方法选择及设计依据

根据矿井历年瓦斯涌出量测定及掘进的集中胶带、集中回风及掘进工作面瓦斯涌出情况，工作面绝对瓦斯涌出量均超过3m3/min，均需开展掘进预抽工作。依据“先抽后采”瓦斯治理理念，在2201轨道顺槽施工本煤层预抽钻孔、及2201胶带顺槽、轨道顺槽施工掘进预抽钻孔，钻孔采用未卸压加密钻孔预抽的方法，降低巷道掘进及回采期间工作面及两帮的瓦斯涌出。

根据煤科集团沈阳研究院有限公司《山西华晋吉宁煤业有限责任公司2号煤层瓦斯抽采半径测定报告》得出，矿井2#煤层钻孔预抽时间大于76天时，半径为2米。

三、瓦斯治理情况简介

瓦斯抽放是矿井安全生产的重中之重，公司在建矿期间不断加大投资力度，矿井瓦斯抽放取得了明显效果。时至今天，吉宁煤矿已配备了目前世界上最先进的ZDY15000LD型深孔定向千米钻机2台及其配套的钻进实时监测系统，实施本煤层大面积预抽，最大孔深达到880m。4台4500型普钻钻机，截止2020年7月底，已完成钻孔数1080个，累计进尺40万米，累计抽放混合瓦斯量9.05亿

m3，纯瓦斯量4.67亿m3，矿井瓦斯抽放率在80％以上，有效解决了生产中的瓦斯管理问题，从而保证了矿井的安全生产。

(一)瓦斯抽放方法的选择

根据吉宁煤矿的瓦斯来源分析，矿井瓦斯主要来源于开采层2号煤层的瓦斯涌出，部分来源于邻近层的瓦斯涌出和围岩的瓦斯涌出，结合吉宁矿井首采区的抽采实践经验，抽放瓦斯方法选择以预抽本煤层瓦斯为主。

国内外抽放经验证明：由于预抽排放煤体瓦斯，使煤体发生了收缩变形，当煤体原占据的空间体积不变时，煤体收缩一方面引起了原有的裂隙加大，另一方面也可产生新的裂隙，最终使煤层的透气性增大。因此，长时间的预抽可以取得更好的效果。

通过对LYD1500LD型深孔定向千米钻机水平长钻孔抽放效果的数字模拟及综合监测分析，确定吉宁矿井瓦斯预抽钻孔的布置如图1所示。

图1

采空区高位穿层钻孔：引进国外先进的采空区瓦斯治理经验，结合千米钻机的钻进特点，在工作面的回风巷侧采用定向钻进技术在2号煤层的顶部岩层内向工作面后方打顶板走向长钻孔至采空区上部的裂隙带，实施长壁面的采空区瓦斯抽放。钻孔布置如图2所示。

图2

从保证采掘工作面的安全需要，结合矿井采掘计划安排，确定长壁综采面的抽放时间为2年；连采机巷道掘进抽放时间1年以上。采掘工作面预抽的孔口负压为20~40kPa，采空区顶板抽放的孔口负压为5kPa。钻孔开、扩孔直径φ170mm，采用φ108mmPVC管封孔，封孔材料为聚铵脂，封孔长度18m；钻杆直径φ89mm，采用复合片钻头钻进，终孔直径φ120mm。

在抽放过程中对钻孔的抽放负压、甲烷浓度、抽放量等参数进行监测，并根据监测结果对钻孔抽放状态进行调整，以达到最佳抽放状态。

(三)抽放管路的敷设

井下抽放主管选用螺旋焊接钢管，管径为DN720mm，沿巷道顶板敷设，连接方式为法兰连接；支管管径为D426mm×16mm和D225mm×10mm UPVC管接至钻场，采用吊挂敷设，连接方式为法兰连接。

三、抽放钻孔施工工艺

目前普通钻机没有导向系统，无法随着煤层的起伏情况做出相应的调整，从而在实际钻进过程中大多数钻孔的有效深度不能满足实际要求，而LYD1500系列深孔定向千米钻机以其特有的钻进机理从根本上解决了这一个问题。

华晋吉宁能源公司于2013年10月从西安引进深孔定向钻进技术施工顺煤层瓦斯抽放钻孔，单孔孔深最大达到1002m，班进尺最高达到了400m，既解决了顺煤层钻进的导向问题，又可以完成深孔钻进，取得了较好的效果。

(一)深孔定向钻进机理

深孔定向钻进技术在诸如美国、澳大利亚等主要产煤国家里，已作为一项很成熟的钻进技术广泛应用于煤矿瓦斯抽放、地质探测等领域，该技术的关键部位在于孔内马达驱动装置和配套的测量技术（图3）。

图3 孔内马达驱动装置

高压水通过钻杆输送至孔内马达，孔内马达内部的转子在高压水的冲击作用下转动，通过前端轴承带动钻头旋转，达到破煤的目的，在钻进过程中，钻杆本身不转，只作钻头的旋转运动，从而有效地降低了钻机的负载。孔内马达的弯接头是一个关键部件，它和钻杆之间有一定的夹角，由于弯接头的作用，钻孔的轨迹将不再是传统钻机所形成的略带抛物的直线轨迹，而成为一条偏向弯接头方向的空间曲线。当然，通过选择不同规格（它的规格通常为0.75、1、1.25、1.5、2度，这个度数指的是钻杆每前进3m所能变化的最小值）的弯接头可以改变钻孔曲率半径（即改变拐弯的快慢），并且在适当的位置还可以作分支钻孔钻进。

(二)测量系统及参数定义

配套的测量系统是保证深孔定向钻进按照预定的轨迹进行钻进的关键部件，该测量系统在孔内主要的测量参数为方位角、倾角和弯接头方向，根据测量出来的孔内参数可用三角函数计算出每一个测量点的坐标，即可描绘出该空间曲线在水平和垂直平面上的投影图，并与设计的轨迹进行对比，根据偏差情况及时调整弯接头方向，以期使钻进轨迹最大限度的符合设计要求。

LYD1500系列钻机所配套的测量装置是由中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称供方)就需方所购1套ZDY15000LD型全液压钻机远程通讯系统在不到5 s的时间内可以测量出精确的测量数据并自动计算出所对应的坐标值，精确度为倾角：±0.1度，方位角：±0.5度，从而使测量对打钻过程的影响减小

到最小。此项成熟的测量技术已经成为澳大利亚、北美和亚洲煤矿的标准。

图4

(三)施工工艺流程

(1)设计。在每一个孔钻进以前，都需要由专门的设计人员根据钻孔布置要求，尽可能地收集所有的参考资料（地质、测量、地面钻孔、煤层钻孔等），做出欲施工钻孔的设计参数，包括垂直面和水平面的投影图，并通过任务交代，使钻工明确地清楚该钻孔的钻进意图。

(2)开孔。首先用直径为170mm的专用扩孔器扩孔18m，退出扩孔器后进行封孔工作（根据需要选择水泥或聚氨酯封孔），然后将孔内马达放入孔内并连接MECCA钻杆，安装孔口安全装置（包括防喷孔器和预抽气水分离器），依照MECCA 孔外仪的提示进行开新孔操作。

(3)钻进。正常钻进如同传统钻机的操作程序：启动水泵，待孔中返出水，确认返渣正常后方可开始给压钻进，其不同的程序是需要每3m进行一次测量操作，将钻孔的垂直和水平投影坐标相应的画在设计图上，并与设计轨迹进行对比，根据偏移情况决定如何调整弯头方向。