李小健

（晋能控股集团有限公司晋城煤炭事业部宏圣公司，山西 晋城 048000）

引言

为顺应社会经济发展，我国每年会开采大量煤炭资源。煤矿在形成过程中不可避免地会产生很多瓦斯，因此在对煤矿进行开采时，瓦斯也会随之涌出[1]。瓦斯具有很大的危险性，遇明火可能会发生爆炸，对矿井安全构成了严重威胁[2]。如何降低矿井中的瓦斯浓度是煤矿开采过程中必须重点关注的问题[3]。实践过程中为保障矿井安全，煤矿开采时需要进行瓦斯抽采[4]。随着煤矿领域技术水平的不断提升，当前定向钻孔技术在瓦斯抽采中得到了非常广泛的应用，与传统的瓦斯抽采方法相比较而言，不仅效率更高且效果也更好，表现出了很大的优势[5-6]。本文主要分析了煤矿瓦斯抽采中定向钻机成孔技术的实践应用，对于积累定向钻机成孔技术，推广其应用范围具有重要的实践意义。

1 定向钻机及定向钻进基本原理

1.1 定向钻机概述

以ZDY6000LD型定向钻机为例进行阐述，属于履带式定向钻机，通过全液压方式进行驱动控制。该型号定向钻机工作时具有相对较低的转速，但可以提供很大的工作扭矩，回转时的最大工作扭矩和最大起拔力分别可以达到6 000 N·m和180 kN。配合使用复合片钻头时能够得到直径相对较大的成孔，设计的钻孔深度可以达到1 km。在近水平长距离钻孔瓦斯抽采中，比较适合使用该型号的定向钻机。为了对钻孔过程进行实时监测，ZDY6000LD型定向钻机还配套使用了YHD2-1000(A)型监测系统（见图1），可以对成孔轨迹参数进行实时监测并反馈，方便定向钻机对成孔方向轨迹进行实时调整。监测系统中配备有监视器，可以对定向钻孔技术参数以及成孔轨迹进行实时显示。技术人员可以通过监视器实时掌握钻孔进度和相关实际情况。另外，为了安装监测系统的硬件设施，使用的是内径为73 mm的中心通览钻杆，监测硬件设施可以在钻杆中心位置进行安装。

图1 YHD2-1000(A)型监测系统示意图

1.2 定向钻进基本原理

图2 定向钻进的基本工作流程图

如图2所示为定向钻进的基本工作流程图。在煤矿瓦斯抽采中应用定向钻机成孔技术时，首先需要根据实际情况对定向钻进行设计，并准备好相关的机具。得到定向钻机后还需要对螺杆马达进行测试并安装。上述工作准备好后就可以开始定向钻进工作。钻进时主要是利用高压水对螺杆马达进行驱动，进而带动钻头旋转达到钻进的效果。整个钻进过程需要对成孔进行实时测量，以确保钻进轨迹与设计相吻合。如果发现钻孔没有偏离，则继续钻进直到完成钻孔为止。钻孔过程中如果发现成孔存在偏离现象，则需要立即对工具面向进行调整，使之回到正确的轨迹上来，保障成孔精度。对钻孔进行设计时，需要充分考虑所在区域的地质情况和煤层具体情况等，给出明确的孔深、倾角和方位角等技术参数。

2 瓦斯抽采中定向钻机成孔技术分析

2.1 钻场与钻孔的设计

某煤矿中的32215综采工作面走向长度为1 123 m，在煤矿开采过程中瓦斯的绝对涌出量和相对涌出量最大值分别达到了60 m3/min和25 m3/t。如果只是利用普通的通风系统，很难将矿井内的瓦斯浓度控制在安全范围内。如果利用普通的钻孔技术手段进行瓦斯抽放，则效率较低，需要耗费大量的时间和物力，不利于煤矿开采效率的提升。

当前阶段，定向钻机成孔技术已经相对较为成熟，在很多煤矿中都得到了应用。为了对矿井中的瓦斯浓度进行有效控制，在综合考虑煤矿实际的基础上，现采用定向钻机成孔技术进行瓦斯抽采。为了确保定向钻孔的实践应用效果，将整个工作面划分成为两段，分别设置1个钻场。两个钻场可以分别进行施工，互不干扰，能够在很大程度上提升钻孔施工的效果和质量。其中，1号钻场和2号钻场分别布置在矿井中的运输斜井和集中运输巷中。如图3所示为1号钻场钻孔轨迹示意图。在1号钻场中，根据瓦斯抽采半径的实际需要，布置的主孔和分支孔数量分别为11个和8个，在2号钻场中，同样根据抽采半径实际需要，确定的主孔和分支孔数量分别为11个和6个。每个定向钻孔的深度均在400～700 m范围内，相邻钻孔之间的间距设置在10～15 m。

2.2 定向钻孔施工工艺过程

图3 32215综采工作面1号钻场钻孔轨迹示意图

利用ZDY6000LD型定向钻机进行定向钻孔时，正式开始施工前，需要对钻机进行加固处理。在此前提下整个钻进工艺过程可以划分成为5个步骤：第一，开孔。将直径为96 mm的钻头连接在通缆钻杆中，钻进深度约为12 m。再利用直径为152 mm的钻头进行扩孔，扩孔深度为6 m。利用直径为133 mm的孔口管配合使用封口剂进行封孔处理。第二，测斜仪器的安装。将无磁钻杆和螺杆马达进行连接安装，正式下钻前需要将泥浆泵进行连接，并且对螺杆、钻具等进行仔细检查。第三，弯外管弯角的调整。把弯外管方向设置到零点方向，利用专业工具检测对应的工具面向角值，该数值就是后续调整的参考值。第四，正式钻进。严格按照设计要求对成孔轨迹进行设置，钻孔过程中需要将泥浆泵开启，可以基于泥浆泵的实时压力推断孔底的实际情况，在此基础上对钻机的进给压力进行调整，避免发生意外情况。整个定向钻孔过程中都没间隔50～100 m需要开展探底工作。第五，终孔起钻。完成定向钻进工作后，将钻头退出。

3 定向钻机成孔技术的实践应用效果分析

利用定向钻机进行钻孔时存在一定难度，克服了煤层地质不好等不良因素。为了分析定向钻机成孔技术在煤矿瓦斯抽采中的实践应用效果，根据设计要求完成定向钻孔工作后，马上进行瓦斯抽采工作。通过对数据的检测与总结，相关结果如下：本次工程实践中定向钻孔深度虽然主要分布在400～700 m，但最大达到了1 020 m，且定向钻孔的成孔率超过了80%。钻孔穿煤率和钻孔瓦斯体积分数分别达到了90%和53%～69%，每个定向钻孔每分钟可以抽采的瓦斯量在0.6～3.9 m3范围内。定向钻孔与传统的钻孔技术手段相比较而言，单孔的有效抽采半径显著提升。据相关统计数据表明，1个定向钻孔取得的效果与20～30个传统钻孔取得的效果相当，可见定向钻孔的有效工程量有了显著提升，最重要的是瓦斯抽采效果更加显著。另一方面，基于定向钻机得到的成孔，其瓦斯抽采效果可以持续发挥12～18个月，个别钻孔持续的时间更长。但普通钻孔能够持续进行瓦斯抽采的时间大约为3个月，主要原因是定向钻机得到的钻孔其瓦斯来源更加广泛，使得煤矿瓦斯抽放时间得到有效延长。基于以上分析可以看出，定向钻机成孔技术在煤矿瓦斯抽采中的实践应用取得了很好的效果，可以对煤矿中的瓦斯浓度进行有效控制，为煤矿安全开采奠定坚实的基础，定向钻机成孔技术值得进一步推广使用。

4 结语

瓦斯浓度是煤矿开采中必须严格控制的参数，为尽可能降低煤矿中的瓦斯浓度，传统的方法主要有两点，一是利用通风系统，二是通过钻孔进行瓦斯抽采。但传统的钻孔瓦斯抽采效果不尽如人意，无法满足煤矿高效生产的需要。随着煤矿技术水平的不断提升，当前定向钻机成孔技术表现出了很大的优势，在很多煤矿中得到了应用，并取得了很好的应用效果。本文的最终研究结果表明，定向钻机成孔技术可以显著提升煤矿瓦斯抽采的效果，使得矿井瓦斯浓度显著降低。