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。

由于矿井地质资料不可能精确地表示出煤层的详细起伏变化情况，所以在实际钻进过程中，要求每间隔一定距离将弯头方向调整为垂直向上，使钻孔快速钻至顶板以确定出顶板所处的层位标高，然后后退到合适位置开分支继续钻进，如此反复，再将两探顶点连线的延长线作为下一段钻进时的参考顶板，从而保证钻孔始终在煤层中钻进。

(4)退钻探底。

由于吉宁矿井主采2号煤下部有一夹矸层，夹矸以下有0.5~1m 厚度不等的软煤区域，且瓦斯含量较高，为了更为有效地对此区域进行抽放，在钻孔施工至设计深度退钻时，每间隔约50m进行一次探底，目的是使钻孔穿透这层夹矸，为下部软煤带形成一个抽放通道，同时又探测清楚了煤层的厚度情况，更为有效地补充了矿井煤层产状的地质资料。

(5)完孔参数。

当钻进结束后，将YHD2-1000（A）测量仪内的数据传输至计算机，通过处理后即可形成相应图表(图5、图6)。

图5 完孔垂直面轨迹图图6 完孔水平面轨迹图(四)钻机施钻过程中气、水、煤屑的分离钻机在施钻过程中，为了有效控制钻场的瓦斯浓度以及做好煤屑的分离工作，从而保证安全钻进以及煤、渣的分选，吉宁矿井在LYD1500LD深孔定向钻机的设计基础上，对气、水、煤屑的分离工作做了进一步的优化。

如图7所示。

图7 气、水、煤屑分离示意图经过改良，这套气、水、煤屑分离装置发挥出了更好的作用。

首先，利用孔口封孔器和气水分离器在钻机开孔钻进即对孔内的瓦斯进行不间断的抽放，避免了瓦斯喷孔现象的发生，并保证了钻场内的瓦斯浓度始终保持在规定以内。

其二，经过煤水二次分离器的作用，使煤屑和废水得到了很好的分离，利于钻场标准化的管理。

其三，预先安装在汇流管上的备抽管，使钻孔的完孔接抽工序更为迅速，同时在钻孔施工过程中因孔内发生异常情况，瓦斯涌出量突然增大时将瓦斯气流及时引入抽放管路中，避免事故的发生。

(五)抽采效果经过对钻进参数的优化调整，千米钻机孔可以达到较好的抽采效果，吉宁矿井在2108钻场布置的22号抽放钻孔共抽放185天，累计抽放纯瓦斯量265327.5 m3。

(六)钻孔施工中需要注意的问题(1)由于其特殊的钻进工艺，所以要求钻工必须首先在意识中形成一个钻孔的三维空间概念，以期对弯头方向做出更为准确有效的调整。

(2)在钻进过程中要求将每次测量的数据做好记录，并将钻进过程中的情况分时间段做出详细的记载，包括水压、推进压力、提钻压力、水量、弯头改变情况、见顶底板情况以及其它说明等，以便遇到钻进事故时采取合适的处理措施。

(3)为了在钻进过程中更为合理有效地控制钻进，要求钻工操作时每间隔一定距离有意识地预留下合适的分支点。

(4)由于煤层产状与地质构造的复杂性，在钻孔钻进时总是有设备抱钻的风险，所以要确保分支孔与主孔间留有一定的间距，以避免分支孔与主孔之间的相互作用影响和水力压裂的影响。

另外，要求在钻进过程中避免出现急弯现象而造成的钻孔阻力的增加，同时急弯现象也影响钻孔在事故情况下的打捞。

(5)除了有目的地进行地质构造探测外，尽可能避免在地质构造区域布置钻孔，在设计与打钻时应该时刻考虑钻进与有保障地实施打捞的关系。

(6)在退钻过程中，要求每间隔30~50m进行一次洗孔操作，以确保退钻顺利和抽放通道的畅通。

(七)设备打捞由于煤层地质的不可预见性，钻孔发生抱钻、卡钻、掉钻的可能性时刻存在。

避免此类事故最行之有效的方法为：当遇到未知的地质情况时，及时撤钻！虽然如此，但发生此类事故的不确定因素又使得在实际操作中不可能绝对性的避免抱钻、卡钻、掉钻。

所以说，有效地实施设备打捞是深孔定向钻进中一个必不可少的关键程序，也是深孔钻进中的另一项关键工艺。

吉宁煤矿从2013年10月开始使用LYD深孔定向千米钻机至今，据不完全统计，累计发生抱钻、卡钻40余次，最大卡钻深度为654m，通过采取各种方法，打捞成功率达到了100%。

总结历次打捞经验，可靠的专用工具是最基本的要求，如公锥、母锥、各种型号的打捞套管等；另一个打捞因素是在详细分析、研究相关钻进参数后，制定细致、可靠的打捞方案，这个方案必须考虑到各种可能发生的状况，而且要在实施过程中不断调整细节的打捞程序；再一个关键的因素是现场实施人员的操作经验和准确的判断力。