彭 勇

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳聯(lián)合礦業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

中長距離定向鉆進(jìn)技術(shù)在鄰近煤層瓦斯治理中的應(yīng)用

彭 勇1，2

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南省焦作市，454000；2.北京中澳聯(lián)合礦業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

針對神華集團(tuán)烏達(dá)五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司瓦斯高且其主采9#、10#煤層層間距近的問題，提出利用9#煤層巷道設(shè)置鉆場，同時(shí)對兩個(gè)煤層進(jìn)行預(yù)抽。采用定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自上而下、覆蓋兩層煤的精準(zhǔn)鉆進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)；針對910采區(qū)東側(cè)邊界斷層處煤層變薄，遇到背斜構(gòu)造，需要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)910運(yùn)輸巷位置的問題，提出以精準(zhǔn)定向鉆進(jìn)勘測斷層地質(zhì)構(gòu)造情況，得出定向鉆進(jìn)不僅可解決瓦斯問題，還可進(jìn)行地質(zhì)勘查，避免巷道開拓失誤，造成經(jīng)濟(jì)損失。

定向鉆進(jìn) 鄰近煤層 瓦斯治理 地質(zhì)勘查

1　煤礦概述

神華集團(tuán)烏達(dá)五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱五虎山煤礦）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏達(dá)煤田南翼，核定生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a。目前開采9#、10#和12#煤層，采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。該礦為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為41.64 m3/min，相對瓦斯涌出量為17.91 m3/t。

五虎山煤礦9#煤層平均厚度3.1 m，煤層瓦斯含量為7.81 m3/t，煤層視密度1.32 t/m3；10#煤層平均厚度為2.1 m，煤層瓦斯含量為6.73 m3/t，煤層視密度1.37 t/m3。

從礦井實(shí)際開采情況看，中盤區(qū)9#煤層瓦斯含量較高，涌出量較大，局部地段有瓦斯異常帶及瓦斯包存在；9#、10#煤層層間距為1～3 m，因此10#煤層瓦斯涌出到9#煤層的量也比較大。該區(qū)域9#煤層傾角為3°～9°，煤層頂、底板都為頁巖。

該礦10#煤層尚未開發(fā)，沒有掘進(jìn)巷道，為安全開采中盤區(qū)9#煤層，需利用9#煤層的巷道布置鉆場對10#煤層進(jìn)行預(yù)抽。該礦東側(cè)邊界是一個(gè)逆掩大斷層，在采區(qū)運(yùn)輸下山掘進(jìn)到910條帶位置時(shí)，煤層變薄，且形成背斜構(gòu)造，無法確定運(yùn)輸巷的布置。910工作面上部的906工作面運(yùn)輸巷在2009年掘進(jìn)期間因瓦斯超限事故而停工，對礦方采掘計(jì)劃的執(zhí)行以及采掘接續(xù)造成了嚴(yán)重制約。

對10#煤層進(jìn)行預(yù)抽如果采用常規(guī)螺旋鉆桿鉆機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)下傾向拐彎鉆進(jìn)；采用國內(nèi)定向鉆機(jī)，下傾向定向效果不好；采用普通定向鉆機(jī)，向大斷層方向鉆進(jìn)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，卡掉鉆危險(xiǎn)大。

澳大利亞定向VLD-1000系列鉆機(jī)采用DGS導(dǎo)向系統(tǒng)和DHM水力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)，利用高壓水驅(qū)動(dòng)鉆頭，僅鉆進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆桿不動(dòng)，有效解決了鉆進(jìn)阻力大、方向偏斜問題；以彎頭鉆頭、孔底馬達(dá)（Down Hole Motor，簡稱DHM）和定向?qū)蛳到y(tǒng)（Directional Guide System，簡稱DGS）為組合的定向鉆進(jìn)系統(tǒng)彌補(bǔ)了螺桿旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)無法實(shí)現(xiàn)長距離精準(zhǔn)鉆進(jìn)的缺陷；定向精度達(dá)到千米靶心半徑在1 m。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，五虎山煤礦決定采用定向VLD-1000系列履帶式鉆機(jī)。

2　鉆孔設(shè)計(jì)與施工

為解決10#煤層運(yùn)輸巷地質(zhì)勘查和9#煤層、10#煤層預(yù)抽兩個(gè)目的，在9#煤層南翼軌道延伸巷道布置910鉆場，設(shè)計(jì)11條長鉆孔，分別往9#煤層和10#煤層鉆進(jìn)。鉆孔均勻布置在鉆場內(nèi)，鉆孔間距平均26 m；根據(jù)推測煤層傾角，按設(shè)計(jì)開孔方位和設(shè)計(jì)鉆機(jī)開孔傾角定位鉆機(jī)后，使用專用的液壓支柱縱向固定鉆機(jī)，使用拉力為1.5 t以上的機(jī)械式緊線器橫向固定鉆機(jī)；使用大直徑鉆頭開孔，煤層中開孔深度一般為6～12 m，開孔后使用直徑100 mm專用封孔管和專用水泥注漿封孔，封孔結(jié)束后4 h安裝孔口設(shè)施、孔底馬達(dá)、DGS鉆桿、銅鉆桿，校正彎頭方向；使用96 mm三牙輪鉆頭進(jìn)行巖石鉆進(jìn)，從孔口開始一般每鉆進(jìn)6 m測量一次孔底參數(shù)，特殊情況下每鉆進(jìn)3 m進(jìn)行一次參數(shù)測量；鉆孔揭煤后洗孔，待返水穩(wěn)定后退出鉆桿，更換成96 mm PCD鉆頭按設(shè)計(jì)方位及傾角進(jìn)行鉆進(jìn)，一般每鉆進(jìn)6 m進(jìn)行一次孔底參數(shù)測量，特殊情況下每鉆進(jìn)3 m進(jìn)行一次參數(shù)測量；由于缺乏詳細(xì)的煤層資料，為保證鉆進(jìn)順利，在鉆進(jìn)中每75～100 m間距探測煤層頂板一次，以確定煤層狀況并指導(dǎo)鉆進(jìn)，探頂結(jié)束后退鉆桿至預(yù)留的分支點(diǎn)，繼續(xù)主孔鉆進(jìn)；完孔后安裝孔板流量裝置并將鉆孔并入礦井抽放系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)抽放，接抽后第一個(gè)月內(nèi)每周5次對鉆孔瓦斯流量等參數(shù)進(jìn)行測量，從第二個(gè)月開始每周至少2次對鉆孔瓦斯流量進(jìn)行測量，直到項(xiàng)目結(jié)束，測量結(jié)果形成瓦斯抽采日報(bào)表及瓦斯月報(bào)表，然后對瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，并對后續(xù)鉆孔設(shè)計(jì)密度進(jìn)行修正。9#煤層鉆孔長度按900～950 m考慮，10#煤層鉆孔長度按500～600 m考慮。

表1　910鉆場實(shí)際完成鉆進(jìn)工程量表

五虎山煤礦煤層平均厚度較小，而抽采鉆孔均設(shè)計(jì)在煤層內(nèi)，為精確定位煤層頂?shù)装澹?dāng)鉆孔遇巖后要退回一定距離開分支鉆進(jìn)，同時(shí)，鉆進(jìn)過程要間隔最多100 m對煤層探頂一次，目的同樣是為了精確定位煤層。這樣在鉆進(jìn)中就要形成一定定向分支孔工程量，定向分支孔增加了主要鉆孔的有效長度，此設(shè)計(jì)中定向分支孔率取25%。

為確定910條帶區(qū)域9#煤層的厚度，8號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至909 m后，退鉆桿過程中每間隔100 m左右開分支探底一次，累計(jì)探底9次，并沿煤層向東打4個(gè)側(cè)分支，側(cè)分支也進(jìn)行了探頂探底，探底分支與側(cè)分支共計(jì)735 m，計(jì)入定向分支孔工程量。7、8號(hào)鉆孔施工完成，決定從8號(hào)鉆孔開分支施工9號(hào)鉆孔，9號(hào)鉆孔終孔深909 m，為確定該區(qū)域9#煤層厚度，退鉆桿過程中開分支探底6次。910鉆場實(shí)際完成鉆進(jìn)工程量見表1。

3　抽采覆蓋

從9#煤層鉆場進(jìn)入10#煤層后，定向鉆進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)平滑的沿煤層轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)，解決了旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在治理鄰近層瓦斯無法有效覆蓋的難題。910工作面鉆孔軌跡剖面示意圖見圖1。

圖1　五虎山煤礦瓦斯抽采鉆孔軌跡剖面示意圖

4　抽采管理

（1）系統(tǒng)組建。鉆孔施工結(jié)束后立即將鉆進(jìn)過程中使用的三通式孔口裝置更換成永久抽放設(shè)施，并在每個(gè)孔口閥門與氣水分離器（主抽放管路）之間安裝孔板流量測試裝置。

（2）監(jiān)測原理。定向鉆孔瓦斯流量選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)按 《流量測量節(jié)流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》（GB/T2624-93）標(biāo)準(zhǔn)測定。

（3）監(jiān)測實(shí)施。新鉆孔施工結(jié)束并接抽后在第一個(gè)月內(nèi)每周5次對其進(jìn)行瓦斯流量觀測，從第二個(gè)月至項(xiàng)目結(jié)束每周2次對其正常流量進(jìn)行觀測并形成流量日報(bào)表。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)選取。選取了2012年4月910鉆場抽采月報(bào)和2011-2013年910鉆場瓦斯抽采年報(bào)的數(shù)據(jù)，見表2和表3。由表2和表3可以看出，單孔抽放平均瓦斯?jié)舛纫话阍?7%左右，單孔純流量0.67～1.01 m3/min，均值為0.79 m3/ min。910鉆場單孔純流量和平均濃度一直比較穩(wěn)定。也可以分析出因鄰近烏達(dá)逆掩大斷層，910區(qū)域的瓦斯含量大。

表2　2012年4月910鉆場抽采月報(bào)

（5）效果分析。各鉆場治理效果分析如表4所示。從表4可以看出，910條帶治理區(qū)域抽采率達(dá)到了42%，而鄰近條帶的9081達(dá)到了90%抽采率。這種利用上水平鉆場，同時(shí)采取水平與下傾孔聯(lián)合布置的方式，可以同時(shí)抽采兩個(gè)或多個(gè)煤層瓦斯，防止開采時(shí)鄰近層瓦斯泄入，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的目的。

5　結(jié)論

截至2015年3月底，五虎山礦910運(yùn)輸巷尚未掘進(jìn)，910回風(fēng)巷現(xiàn)已掘進(jìn)900 m，根據(jù)礦實(shí)際掘進(jìn)瓦斯涌出情況，該巷道內(nèi)瓦斯探頭讀數(shù)未超過0.3%，未發(fā)生過瓦斯超限事故。

因此，采用定向鉆進(jìn)對五虎山礦9#煤層、10#煤層鄰近層治理瓦斯工作達(dá)到了預(yù)期治理效果，可以覆蓋全采區(qū)預(yù)抽區(qū)域，滿足區(qū)域治理工作的要求。

表3　2011-2013年910鉆場瓦斯抽采年報(bào)

表4　各鉆場治理效果分析表

［1］ 凌志強(qiáng)，彭勇等.沿煤層定向鉆進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)在寧夏礦區(qū)的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（11）

［2］ 呂繼昌.煤礦工程孔定向鉆進(jìn)技術(shù) ［J］.中國煤炭，1995（5）

［1］ 姚盼盼.VLD-1000型定向鉆機(jī)的孔內(nèi)事故分析及防范措施［J］.中國煤炭，2011（1）

（責(zé)任編輯 張艷華）

Application of the technique of directional drilling of middle and long distance for gas treatment of adjacent coal seam

Peng Yong1，2
（1.College of Civil Engineering of Henan Polytechnic University，Jianzuo，Henan 454000，China；2.China Australia Mining Development Alliance Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aiming at the problems that the gas content is high and the interlayer spacing is small between the No.9 and No.10 main mining coal seam in Wuhushan coal mining Co.，Ltd. of Shenhua Group，It was put forward that the drilling field was settled in the roadway of the No.9 coal seam and the gas in two coal seams was predrainage at the same time.The precision drilling from top to bottom and covering two seams was realized by the directional drilling technique，and the gas drainage can meet the standards.Aiming at the problems that the coal seams are becoming thin and encounter the anticline on the boundary faults of the eastern side in 910 mining area，the location of the 910 delivery roadway should be accurately designed，the precise directional drilling prospecting geologic fault structure was proposed，and the results show that the directional drilling can not only solve the gas problem，but also can explore geology to avoid roadway development failures and the economic losses.

directional drilling，adjacent coal seam，gas treatment，geological exploration

TD712.6

A

彭勇（1977-），男，山東鄒城人，工程碩士，現(xiàn)任北京中澳聯(lián)合礦業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司副總經(jīng)理，主要從事煤礦安全專業(yè)化服務(wù)、瓦斯治理、定向鉆進(jìn)工作。