深孔定向千米钻机在煤矿中运用

深孔定向千米钻机

在x矿瓦斯治理方面的应用

编辑人：潘文龙

瓦斯抽放是矿井安全生产的重中之重，x集团近几年不断的加大投资力度，矿井瓦斯抽放取得了明显效果。x引进了目前世界上先进的ZDY-6000LD型深孔定向千米钻机，并专门成立了x公司。x公司千米钻机队目前正使用x台ZDY-6000LD型深孔定向千米钻机在x矿实施本煤层瓦斯预抽。截止x年x月底，已完成钻孔x个，累计进尺xm，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x矿的瓦斯来源分析，矿井瓦斯主要来源于开采层3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，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。

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φ153mm，采用φ108mmPVC管封孔，封孔材料为聚铵脂，封孔长度3m；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。

二、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ZDY-6000LD型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。

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。

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96mm的开孔钻头开孔12m，退出开孔钻头后再用直径153mm的扩孔钻头扩孔3m。然后用3m的封孔管进行封孔，最后将螺杆钻具放入孔内并连接直径73mm的通缆钻杆打钻。

(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6m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)完孔参数。当钻进结束后，将孔口监视器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

三、钻孔施工中需要遇到的问题及解决方案

(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。根据新景的地质状况，研究了一种容易掌握的适合新景矿的打钻方法，探顶回煤法。

(2)在打钻的过程中，我们经常遇到孔口周围煤帮破裂，孔内返水从煤帮裂口中流出导致孔口管中没有返水而被迫终孔的情况。遇此

情况，我们结合普通钻机风压的打钻特点，采用风压开孔、风压扩孔的方法有效的解决了这一难题。即节约了注浆所浪费的时间，又极大节省了人力、物力、财力，有效地节约了成本。

(3)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。

(4)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。

四、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。新景矿煤质较软，极易压钻。据不完全统计，累计发生抱钻、卡钻20余次，其中掉钻一个，成功打捞一个。

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