楊曉紅，柴文忠

(山西焦煤集團公司 通風部，山西 太原 030024)

山西焦煤集團公司是全國最大的煉焦煤生產(chǎn)加工企業(yè)和最大的煉焦煤市場供應商，下轄西山煤電、汾西礦業(yè)、霍州煤電、華晉焦煤以及投資公司5個煤炭子公司，礦區(qū)總面積2 616 m2，煤炭儲量239.54億t，煤層氣資源儲量約1 975億m3.現(xiàn)有生產(chǎn)礦井53座，生產(chǎn)能力1.836億t/年，煤與瓦斯突出礦井12座、高瓦斯礦井11座，主要分布在西山煤田以及河東煤田中部的離柳、鄉(xiāng)寧礦區(qū)，沁水煤田東部，礦井分布區(qū)域廣、差異性較大。其中，西山煤田地質(zhì)構造情況為復雜類型，河東煤田中部的離柳、鄉(xiāng)寧礦區(qū)地質(zhì)構造情況為簡單-中等類型。近年來，山西焦煤集團公司引進多種型號的千米定向鉆機，因地制宜進行瓦斯治理，積累了一定的經(jīng)驗，但也存在不足，總結(jié)分析千米定向鉆機的應用情況及在施工和管理過程中存在的問題并加以改進，對于山西焦煤集團公司煤礦瓦斯治理工作具有重要的意義。

1 山西焦煤集團千米定向鉆機在用情況

山西焦煤集團公司目前在冊千米定向鉆機46臺、使用35臺，主要機型為VLD-1000系列、ZDY-12000LD(3500L、4000LD、4500 LD、ZDY-6000LD)、中煤CMSI系列、LDZYW-4000、ZYWL-13000DS等。其中，西山煤電集團11臺、汾西礦業(yè)集團20臺、華晉焦煤集團15臺。

目前，山西焦煤集團公司共有外委專業(yè)定向鉆進隊伍4支、子分公司組建專業(yè)鉆探公司2支以及礦井自行組建隊伍7支。定向鉆機鉆進效率在1 500～3 500 m/月·臺，最高日進尺達200 m/臺以上。鉆進效率主要受煤層賦存條件、鉆場準備、搬家倒面、勞動組織、操作技能、設備管理等因素影響，一般低于1 500 m/月·臺為不正常。

2 千米定向鉆機治理瓦斯的主要類型及效果

千米定向鉆機采用高壓水驅(qū)動孔底動力馬達帶動鉆頭鉆進，并通過計算機、孔底測量系統(tǒng)進行定位控制，能夠精準造斜和糾偏調(diào)整，實現(xiàn)探測煤層頂?shù)装寮皹嬙?，并能按要求進行拐彎和開分支鉆孔鉆進，同時由于鉆桿不旋轉(zhuǎn)，對鉆孔煤壁損傷小，鉆孔成孔質(zhì)量高。根據(jù)鉆機特性，結(jié)合該集團煤礦地質(zhì)條件和采掘部署在瓦斯抽采上形成以下主要方式。

2.1 大面積區(qū)域預抽

大面積區(qū)域預抽主要是在煤層巷道(或底板抽采巷道)內(nèi)施工若干鉆場，在鉆場內(nèi)利用千米定向鉆機在順煤層施工梳狀鉆孔進行大面積區(qū)域預抽或在底抽巷道鉆場利用千米定向鉆機穿層進入煤層中再順煤層施工梳狀鉆孔進行大面積區(qū)域預抽瓦斯，平均鉆孔深度600 m.其特點是能夠超前對大面積區(qū)塊打鉆預抽，延長預抽時間實現(xiàn)大區(qū)塊預抽消突。適用于地質(zhì)構造較為簡單，煤層起伏較小的煤層。在離柳礦區(qū)沙曲一、二礦，賀西礦，雙柳礦應用效果較好。例如，沙曲礦3#、4#、5#煤層均為突出煤層，煤層原始瓦斯含量分別為12.55 m3/t、10.89 m3/t、12.08 m3/t，煤層透氣性系數(shù)λ分別為1.78～1.89、3.524～3.785、1.99～2.23，為可抽采煤層。選擇5#煤層下部13 m左右的位置開掘底抽巷，底抽巷兩側(cè)施工邁步式鉆場，邁步間距25 m.利用鉆場施工穿層定向長鉆孔，每個鉆場的鉆孔輻射寬度100 m，鉆孔長度500 m，煤層段不小于400 m，4煤層和5煤層交替施工，達到兩個主采煤層全覆蓋的要求。由于預抽時間長(12～18個月，有時可達24個月)，預抽率可達40%～50%，較好地實現(xiàn)了超前瓦斯治理。沙曲礦底抽巷大面積區(qū)域抽采平、剖面布置圖見圖1，2.

圖1 沙曲礦底抽巷大面積區(qū)域抽采平面布置圖

圖2 沙曲礦底抽巷大面積區(qū)域抽采剖面布置圖

2.2 掘進預抽條帶消突

1)常規(guī)掘進條帶預抽。在掘進巷道兩側(cè)鉆場內(nèi)施工走向鉆孔進行超前預抽消突，鉆孔深度600～800 m，最深900 m.掘進時，采用“一隊二面”方式，即一個工作面掘進、另一個工作面預抽，循環(huán)消突、交替掘進。掘進預抽時間一般為3個月，預抽率一般在30%，該種方式在西山礦區(qū)馬蘭礦、東曲礦、屯蘭礦、杜兒坪礦等普遍采用，基本解決了掘進過程中的瓦斯問題。

2)跨采面遞進式掘進條帶預抽。在已掘巷道內(nèi)利用千米定向鉆機長距離拐彎鉆進功能，跨過下一工作面沿其順槽掘進條帶施工梳狀長走向鉆孔進行超前預抽消突，鉆孔深度600～800 m，最深900 m.其特點是能夠?qū)Υ蛳锏莱敖恿︻A抽消突，大幅延長預抽時間(9個月以上，有時可達12～18個月)，預抽率達到40%以上，保證巷道連續(xù)掘進。該抽采方式在屯蘭礦18205、12510、22301等工作面實施，取得了應有的效果。屯蘭礦南四下組煤掘進條帶消突鉆孔布置圖見圖3.

圖3 屯蘭礦南四下組煤掘進條帶消突鉆孔布置圖

2.3 對地質(zhì)構造及小窯破壞區(qū)的探測

在掘進預抽鉆孔施工時利用其孔底精確測量和拐彎及開分支鉆進功能，在預抽煤層瓦斯的同時對地質(zhì)構造精確探測及預抽消突，對于小窯破壞區(qū)還可超前探測控制，為工作面布置提供了可靠依據(jù)，避免了無效進尺，實現(xiàn)“一孔多用”。例如：屯蘭礦南四、南五盤區(qū)地質(zhì)構造復雜，利用千米定向鉆機不僅對地質(zhì)構造進行精確探測，而且開分支鉆孔進行了預抽消突；在北三盤區(qū)12301工作面已掘巷道中利用VLD-1000鉆機對相鄰工作面打鉆預抽的同時，對后風坪嶺斷層位置以及小窯破壞區(qū)精準探測，在實現(xiàn)預抽瓦斯的同時摸清了情況、優(yōu)化了工作面布置，收到較好的效果。屯蘭礦北三盤區(qū)利用千米定向鉆機對后風坪嶺斷層及金之中小煤窯采空區(qū)探測鉆孔軌跡圖見圖4.

圖4 后風坪嶺斷層及金之中小煤窯采空區(qū)探測鉆孔軌跡圖

2.4 采面瓦斯抽采

1)采面本煤層瓦斯預抽。一種方式是利用千米定向鉆機對采煤工作面施工順層鉆孔進行瓦斯抽采。例如在汾西礦業(yè)雙柳礦進行采煤工作面遞進式抽采，即在已掘巷道向采煤工作面打鉆，覆蓋范圍包括下一個順槽甚至兩個順槽，通過6個月的預抽，煤層瓦斯含量由11～13 m3/t降到5～6 m3/t，預抽率達到50%～55%，掘進巷道條帶預抽率在45%.另外一種方式是對地質(zhì)構造復雜、斷層褶曲發(fā)育的工作面，在兩側(cè)順槽施工本煤層抽采鉆孔后，由于構造影響中間仍存在抽采空白區(qū)，可利用千米定向鉆機對瓦斯抽采空白區(qū)進行打鉆預抽。此種方式在屯蘭礦12505工作面實施后，中間抽采空白區(qū)煤層瓦斯含量由11 m3/t降到6 m3/t，預抽率達到45%，抽采效果明顯。

2)采面頂板走向長鉆孔“以孔代巷”抽采。在工作面順槽利用千米定向鉆機向上開孔爬升到頂板裂隙帶，施工頂板走向長鉆孔抽采采煤工作面裂隙帶及采空區(qū)瓦斯。該方式在吉寧礦、雙柳礦、沙曲礦以及屯蘭礦均有應用，能夠基本解決采煤工作面上隅角瓦斯超限問題，但目前采煤工作面上隅角仍采用埋(插)管抽采、風障導風等輔助措施。例如鄉(xiāng)寧礦區(qū)吉寧礦2102工作面利用ZYL-17000D定向鉆機施工大直徑頂板走向長鉆孔抽采裂隙帶及采空區(qū)瓦斯。采用3次成孔的方式施工，鉆孔一開孔徑120 mm，然后對3#、4#鉆孔進行二次、三次擴孔，完孔后進行二開d165 mm擴孔，最后進行三開d203 mm擴孔,L=600～700 m，鉆場抽采瓦斯量4～6 m3/min(標況)，采煤工作面上隅角平均瓦斯?jié)舛入S著頂板走向長鉆孔作用的發(fā)揮顯著降低，維持在1%以下，結(jié)合上隅角埋管抽采等措施可使上隅角瓦斯穩(wěn)定在0.6%～0.7%.因此，應增加若干低位鉆孔在上隅角3～5 m位置隨頂板垮落連通采空區(qū)進行大流量抽采以替代上隅角埋管抽采、掛設風幛等設施。這種抽采方式對于直接頂為堅硬巖層可以實現(xiàn)，而對于破碎頂板則存在因動壓影響而塌孔堵塞問題。吉寧礦2102工作面頂板走向長鉆孔“以孔代巷”布置圖及抽采效果圖見圖5，6.

3)采面下鄰近層大面積抽采。在底板抽采巷道或在底抽鉆場利用千米定向鉆機對下鄰近煤層進行大面積區(qū)域預抽，瓦斯抽采量2～8 m3/min，在沙曲一、二礦以及屯蘭礦等均有應用。但應注意在底板抽采巷道或在底抽鉆場內(nèi)施工，而不應在本煤層巷道施工下向鉆孔，否則鉆孔積水積渣問題會對瓦斯抽采造成較大影響。

圖5 吉寧礦2102工作面頂板走向長鉆孔“以孔代巷”布置圖

圖6 吉寧礦2102工作面頂板走向長鉆孔“以孔代巷”抽采效果圖

3 定向鉆機在應用過程中存在的問題及對策

從煤礦瓦斯治理實際應用情況看，定向鉆機在地質(zhì)條件復雜、煤層松軟的煤層存在塌孔、噴孔、鉆進困難、成本高等問題，在“以孔代巷”方面瓦斯治理效果也有待提高。針對山西焦煤定向鉆機應用過程中出現(xiàn)的問題結(jié)合其煤礦瓦斯治理的發(fā)展前景，提出以下對策。

1)松軟煤層或復雜地質(zhì)條件鉆進困難的問題。

定向鉆機優(yōu)勢在于能施工長距離鉆孔，能夠根據(jù)煤層起伏或設計進行垂直或水平定向拐彎，但是在鉆孔低凹以及水平拐彎處易出現(xiàn)積渣積水堵塞鉆孔現(xiàn)象，對于煤層松軟或過地質(zhì)構造區(qū)段還會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象而導致堵孔噴孔，而且由于鉆孔長集聚的瓦斯量大，因此較常規(guī)鉆孔噴孔強度大。在實際施工過程中要注意以下事項：a)在鉆孔設計上盡量避免下向鉆孔施工。b)對于煤層松軟地段，應沿頂(底)板施工主孔，逐段向煤層開分支孔，采用“鋸齒狀或羽狀”鉆孔的辦法進行抽采，以減少松軟煤層地段的鉆孔長度；在完孔抽采后，應選用大直徑連管，在鉆口安設球閥而不得使用蝶閥，以便孔內(nèi)煤巖塊容易進入除渣箱內(nèi)；加強日常觀測，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采氣量明顯減小，及時用鉆機進行疏通。c)地質(zhì)條件復雜礦井要結(jié)合鉆孔軌跡加強對地質(zhì)構造的研究，判斷預測斷層等構造產(chǎn)狀，指導鉆孔施工及巷道設計優(yōu)化工作。d)在掘進工作面揭露鉆孔時應引起重視，制訂安全措施。e)對于高突礦井特別松軟煤層，下一步應與制造廠家聯(lián)合進行“高突礦井松軟煤層定向鉆機壓風排渣施工工藝的改進”。

2)“以孔代巷”問題。

大孔徑頂板走向鉆孔“以孔代巷”抽采盡管在部分礦井試驗取得成功，但是受瓦斯涌出量、地質(zhì)條件、頂板巖性制約以及鉆孔布置參數(shù)等因素影響仍未達到理想狀態(tài)，即 “U”采煤工作面上隅角不再采取埋管抽采等其它輔助手段，而處于完全安全穩(wěn)定狀態(tài)。需要進一步試驗成功后制訂相應的技術標準。

3)管理與成本問題。

目前山西焦煤集團在定向鉆機使用管理方面存在型號多、管理不統(tǒng)一、成本差異大以及鉆進效率不高等問題。特別是鉆孔成本差異方面主要是由于煤層賦存條件以及設備操作管理水平造成的。以煤孔為例，成本200～600元/m，打鉆成本成為制約定向鉆機推廣應用的主要因素，在煤層地質(zhì)條件一定的情況下，關鍵是降低設備事故和配件損耗。建議：a)由于定向鉆機配件價格較高，各子分公司定向鉆機機型不應過多，應控制在3種以內(nèi)，便于設備配件供應和管理。b)引入外部先進隊伍帶動學習(外委專業(yè)隊伍不宜過多)，加強與設備廠家技術合作，大力發(fā)展自身隊伍，把規(guī)范管理和提升技術操作水平作為重點。c)從集團公司層面要做好政策引導扶持，組織管理、技術、操作方面的培訓、專題講座、技術比武等服務工作，推動鉆進隊伍的發(fā)展壯大。

4)常規(guī)鉆機改造問題。

目前山西焦煤集團常規(guī)液壓鉆機在鉆進設備上占有絕對份額，在籍常規(guī)液壓鉆機總數(shù)量過剩約30%，而且在用的常規(guī)液壓鉆機因地質(zhì)條件復雜及自身缺陷導致鉆孔精確度差、抽采效率低等。定向鉆機在礦井的需求量大，不僅需要大功率、長距離鉆進(即千米)的定向鉆機，而且需要相當數(shù)量的中等鉆進距離(500 m左右)定向鉆機，定向鉆機數(shù)量應占鉆機總數(shù)的50%以上。常規(guī)液壓鉆機與定向鉆機的主要區(qū)別在于驅(qū)動裝置和測量系統(tǒng)，因此常規(guī)液壓鉆機具備改造為定向鉆機的可行性。下一步應聯(lián)合定向鉆進設備廠家對目前的常規(guī)液壓鉆機進行改造試驗，節(jié)約資金、盤活閑置資產(chǎn)，以解決定向鉆機數(shù)量不足的問題。

4 結(jié) 論

1)千米定向鉆機具有普通鉆機所不可比擬的優(yōu)勢，是煤礦抽采鉆機的發(fā)展方向，具有很好的應用前景，具體打鉆抽采類型要因地制宜合理選用。

2)對于目前千米定向鉆機存在的問題要認真加以研究解決，同時應組織完善技術標準并規(guī)范使用。

3)對于目前山西焦煤各子公司及礦井應以規(guī)范定向鉆機生產(chǎn)和設備管理、提升技術操作水平、降低鉆進成本作為重點，大力發(fā)展自己的千米定向鉆機專業(yè)施工隊伍；并著眼今后發(fā)展積極推進定向鉆機改進、常規(guī)液壓鉆機改造工作，提升山西焦煤集團公司整體瓦斯治理技術水平。