深孔定向千米钻机的应用

深孔定向千米钻机的应用

一、矿井简介山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿是由美国亚美大陆煤炭有限公司,山西兰花科创股份有限公司和山西省煤炭运销公司晋城分公司三方合资组建的合作经营股份制企业,是中国第一家中外合作井工矿井•大宁煤矿井田位于沁水煤田东部南段，井田面积，地质储量亿t,可采储量亿t,主采煤层3号煤,平均可采厚度，煤层倾角小于10° ,属近水平煤层;3号煤层服务年限为33年.大宁煤矿所开采的 3 号煤层属于中等变质程度的无烟煤,是优质的化工及动力用煤.3号煤层煤尘无爆炸性，自燃等级为皿级，属不易自燃煤层,2005年,2006年经鉴定属高瓦斯矿井.根

据2007年度矿井瓦斯等级鉴定资料,矿井绝对瓦斯涌出量为m3/min, 相对瓦斯涌出量为m3/t, 山西省煤炭工业局批复确定矿井为高瓦斯矿井.根据勘探钻孔及大宁煤矿首采区3号煤层实测资料:百米钻孔自然瓦斯涌出量为~ mSmin,百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为~. 煤层瓦斯压力~，煤层~号煤层的孔隙率％~%瓦斯吸附常数a值为~,b值为~•经计算,大宁煤矿矿井瓦斯储量达亿m3,可抽瓦斯量亿m3,其中3 号煤层瓦斯储量为亿

m3,可抽瓦斯量亿m3,具有瓦斯抽放和利用的丰富资源及优越条件.

大宁煤矿于2007年 4 月底顺利通过了4Mt/a 扩建项目的总体竣工验收, 6月12日领取了安全生产许可证,7月1 0日领取了煤炭生产许可证.

、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,大宁煤矿已配备了目

前世界上最先进的VLD-1000型深孔定向千米钻机3台及其配套的DDM-

MECCA钻进实时监测系统，实施本煤层大面积预抽，最大孔深达到1002m截止2007年12月底,已完成钻孔数1980个，累计进尺累计抽放混合瓦斯量亿m3,纯瓦斯量亿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

根据大宁煤矿的瓦斯来源分析,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,结合大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VLD-1000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,确定大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 3 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© 150mm采用© 108mmPVC管封孔,封孔材料为聚铵脂，封孔长度6m;钻杆直径© ,采用复合片钻头钻进，终孔直径© 96mm.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DN820mm X 12mm,沿巷道底板敷设，连接方式为法兰连接；支管管径为D355mm x 16mm和

D225mm x 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VLD-1000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。

亚美大宁能源公司于2003 年 4 月从澳大利亚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,1,,,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.

VLD-1000系列钻机所配套的测量装置是由澳大利亚AMT公司生产的DDM-MECCA模块化电子定向钻进监视器）钻进实时测量系统（图4）,其使用MECCA远程通讯系统在不到5 s的时间内可以测量出精确的测