ZYL-17000D型履带...隙带定向长钻孔施工中的应用_王广鑫.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:王广鑫(1 9 9 0-),男,山西省太原市,本科,2 0 1 8年毕业于太原理工大学采矿工程专业,助理工程师,煤矿建设安全生产管理工作。Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机在大直径裂隙带定向长钻孔施工中的应用王广鑫(山西焦煤 西山煤电建筑工程集团有限公司 建安分公司,山西 太原 0 3 0 0 2 4)摘要:华晋焦煤沙曲一号煤矿是煤与瓦斯突出矿井,4 5 0 2工作面为沙曲一矿首个智能化综采工作面,针对瓦斯治理提出了更高的要求。在本工程中提出了采用Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机配随钻测量装置施工长度超过6 0 0 m,终孔直径达到2 0 3 mm的顶板定向长钻孔抽采技术,应用孔底定向钻技术、回钻扩孔的水排渣工艺在大直径裂隙带施工钻孔进行采空区瓦斯抽采技术。Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机是国内目前扭矩最大的履带式全液压定向钻机,我们总结了一套适用于在大直径裂隙带钻孔瓦斯治理的施工方法,保障了工作面安全、高效回采。关键词:煤矿瓦斯治理;大直径裂隙带钻孔;随钻测量;施工工艺中图分类号:T D 7 1 3+.3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 4-0 0 4 3-0 51 引言华晋焦煤沙曲一号煤矿井田位于山西省吕梁市柳林县穆村镇内,生产能力了5 0 0万吨/年,中等水文地质类型,煤与瓦斯突出矿井。近年来,随着煤矿智能化的发展与应用,对针对煤矿瓦斯治理提出了更高的要求。采空区瓦斯是工作面瓦斯的重要来源之一,采空区的岩石裂隙发育比较好,渗透性较大,成为了卸压瓦斯汇集的主要地方。同时也是造成工作面瓦斯超限的主要原因,如何高效安全地对采空区瓦斯进行抽采是制约华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面回采安全的重要原因。综采工作面回采后煤岩层的原始应力已经遭到了破坏,会在上覆岩层内产生不同规则的裂隙,含煤构造的环境、顶板的岩性、开采煤层的厚度及开掘的活动影响程度等因素的不同,形成裂隙区域的范围有较大差异。为了有效解决华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面的回采期间采空区瓦斯异常涌出导致的瓦斯事故,以及华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面作为沙曲一号煤矿首个智能化工作面对瓦斯的治理效果提出了更高的要求。2 工作面概况华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面地表南部约2 0 0 m为白地峁村,西部约4 0 0 m为下龙花垣村,东部为闫家山。工作面地表为典型的黄土梁峁结构,地表分布有植被、高压铁塔及高压线、树等,有一条季节性河流自南向北从工作面中部穿过。华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面北为已施工完成的4 5 0 3轨道巷,南为未掘进4 5 0 1轨道巷,西为六采区集中轨道、集中胶带、集中回风,东面为闫家山村庄保护煤柱,东面4 0 0 m柳林煤矿有限责任公司。4 5 0 2工作面倾向长度为1 1 0 7/1 0 9 5,走向长度为2 2 0 m,面积2 3 5 6 4 2.1 8 m2。4 5 0 2工作面四周均未开拓,西部为轨道、胶带、回风大巷延伸。华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2工作面地质条件相对简单,基本为一单斜构造,煤岩层产状为:1 9 02 7 0 27,平均为4。4 5 0 2工作面为3+4#煤,黑色,以亮煤为主,镜煤次之,细条带结构,半亮型煤,松软。煤层厚度3.74.4,工作面煤层倾角27,平均倾角为4。预计工作面正 常涌水量5 m3/h,最大涌水量1 5 m3/h。华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷为矩形断面,全宽5.2 m,净宽5.0 m;全高4.3 m,净高4.2 m。全断面面积2 2.3 6 m2,净断面面积2 1 m2。3 大直径裂隙带定向长钻孔施工工艺3.1 大直径裂隙带定向长钻孔施工必要性我公司在本工程中标后,公司立即组织公司技术人员与项目部技术人员召开技术专题研讨会,经34 2 0 2 3年第4期内蒙古石油化工公司与项目部技术人员研究,普遍做法是采用顶板走向(倾向)钻孔、高抽岩巷、采空区埋管等措施对采空区的瓦斯进行定向抽采,传统打钻技术的工艺影响,钻孔的有效距离短,轨迹难以控制,煤层顶部裂隙带高位抽采瓦斯技术存在单孔高效抽采的距离短、抽采的瓦斯浓度偏低等问题、抽采效果不稳定、成本高、钻孔施工的工程量大,严重影响瓦斯抽采的效果。虽然有许多专家、学者认为解决顶板裂隙带富集区的瓦斯的最有效手段是进行高位钻孔,但研究的内容多数围绕普通顶板的高位孔、主孔的长度均小于3 0 0 m或直径小于 1 5 3 mm的定向钻孔。如年军等人研究的在采空区顶板定向长钻孔中长度也仅为3 0 0-4 0 0 m;王鲜等人研究的顶板定向长钻孔中的长度达到了5 1 0 m,但孔径也仍为1 5 3 mm;刘秀保等人在针对采空区裂隙带的抽采钻孔中 孔 深3 0 0 m,孔 径 为1 5 3 mm。对 长 度 超 过5 0 0 m、终孔直径超过1 5 3 mm的顶板定向长孔的施工工艺还未见相关的文献报道,其抽采效果和发展潜力还缺乏相应研究。我公司针对性的提出了在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2智能化综采工作面施工中应用长度超过6 0 0 m,终孔直径达到2 0 3 mm的顶板定向长钻孔抽采技术,并结合高位钻场施工。技术方案确定以后公司立即组织技术人员分析大直径裂隙带定向长钻孔与常规采空区瓦斯抽采措施,在抽采效果、工程量和经济投入等方面存在的技术优劣势,以期为以孔代巷提供施工参考,为传统施工工艺的技术突破提供发展方向。为了有效解决工作面回采后采空区瓦斯问题,传统的钻孔施工方式由于钻机的搬运频繁、效率低下,且钻孔的轨迹难以控制,有效的钻孔段距离短,瓦斯抽采效果不理想,过钻场期间可能会导致瓦斯的预警,经公司技术人员多方考察与设备比选,最终选定了采用Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机配备随钻测量装置进行施工大直径裂隙带定向长钻孔施工的施工工艺,在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷施工4 5 0 2回风工作面大直径裂隙带钻孔。项目部决定在裂隙带采用大功率大扭矩定向钻机施工大直径裂隙带定向长钻孔钻进技术,回转扩孔的水排渣工艺,利用裂隙带钻孔抽采回采时产生的采动裂隙带和采空区瓦斯,在加强采前预抽的基础上,经公司与项目部技术人员综合考量利用Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机可实现定向、长距离钻进、轨迹可控的特点预抽煤层瓦斯,最终形成通过在大直径裂隙带定向长钻孔施工工艺进行瓦斯抽放,用大功率大扭矩定向钻机施工大直径裂隙带定向长钻孔,利用裂隙带钻孔抽采回采时产生的采动裂隙带和采空区瓦斯,采空区的岩石裂隙发育比较好,渗透性大,成为卸压瓦斯汇集的主要地方。因此,采用大直径裂隙带定向长钻孔进行瓦斯抽放施工工艺,来保障华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2智能化综采工作面作业安全。3.2 大直径裂隙带钻孔布置及要求3.2.1 钻孔布置在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷距开口平距2 2 m、5 8 6 m处南侧帮各开设一个矩形钻场,规格满足钻机施工要求,每个钻场各布置3个,共6个4 5 0 2回采工作面大直径裂隙带定向长钻孔,总进尺3 9 1 4 m。在钻场内呈组形式沿4 5 0 2胶带巷倾向布置大直径裂隙带定向长钻孔,采用“开孔扇形、终孔平行方式”布孔,施工采用“开孔后先穿层至目标采高层位、后按照目标方位角和煤层倾角顺目标采高层位定向施工至设计孔深”的钻进工艺,每个钻场布置3个钻孔,共布置6个裂隙带定向长钻孔,钻孔深度平均为6 5 0 m,钻孔终孔直径为 2 0 3 mm。每组相邻每组钻孔开孔间距为1 m,终孔间距1 0 m。钻孔终孔端控制在顶板以上8-1 0倍采高位置(1#孔8倍采高,2#孔9倍采高,3#孔1 0倍采高),目标方位角均为7 8(与4 5 0 2胶带巷前进方向平行),钻孔伸入工作面距4 5 0 2胶带巷南侧帮在1 0 m-3 0 m之间(1#孔投影位置距胶带巷帮1 0 m,2#孔投影位置距胶带巷采帮2 0 m,3#孔投影位置距胶带巷采帮3 0 m)。3.2.2 钻孔孔身结构华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷大直径裂隙带定向长钻孔采用三开式孔身结构,施工采用3次成孔的方式施工,该工艺能逐级扩大孔径,减少孔内事故的发生,并有效提高瓦斯抽采的效果。钻孔一开1 2 0 mm钻头定向施工,完孔后依次采用二开1 6 5 mm钻头、三开2 0 3 mm钻头回转扩孔,终孔孔径2 0 3 mm。3.3 大直径裂隙带定向长钻孔施工技术要求3.3.1 钻孔设备钻孔设备施工选用中煤科工集团西安研究院有限公司(煤炭科学研究院总院西安研究院)研制的Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机,长距离钻进、轨迹可控,配备泥浆泵站及随钻测量系统。44 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 图1 Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机实物图3.3.2 施工要求项目部每班组织召开班前会,项目部技术负责人及跟班队长在班前会上对本班任务进行安排,对技术上注意事 项及安全 文明施工 注 意 事 项 进 行交底。抽采班组必须保证D N 3 2 0 mm抽采管路及时延伸到位,并安装4寸孔板流量计,抽采管路前段最低处安装“U”型自动放水器,确保抽采管路内的积水能够及时排出,施钻期间中夜班放水由施钻班组组负责,早班由抽采队负责放水,施钻结束后由抽采队负责放水。钻孔施工前,由项目部技术员或现场施钻负责人(跟班队长)按设计标定钻孔位置和调整好角度(方位角、倾角),接受矿方防突科钻孔验收组人员严格监督。钻孔施工前安装双层自动防水器,保证钻孔处于双抽系统,钻孔施工过程中使用瓦斯收集器,必须保证钻孔处于负压状态,施工过程中。施钻前,现场施钻负责人必须将便携式瓦检仪吊挂在施钻地点1 m范围内下风侧的上部,当便携式瓦检仪显示的瓦斯浓度出现突然上升时,必须立即停钻进行检查,确保抽采系统畅通,严防出现瓦斯超限现象。施钻过程要严格执行钻孔施工安全技术措施和钻孔验收管理制度,现场施钻负责人要及时填写钻孔施工原始记录本,记录清楚钻孔孔号、倾角、方位角、孔深、见煤岩情况及有无喷孔、卡钻等其他异常情况,确保钻孔施工参数准确。抽采班 组 必 须 确 保 孔 口 抽 采 负 压 不 得 低 于1 3 K P a,每天早班安排观测工进行抽采参数的测定,保证测定的抽采参数准确,并将钻孔抽采参数填写到观测牌板上。3.3.3 随钻测量装置及孔底定向钻进技术的应用为提高大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺,传统的钻孔定向钻进工艺的各种形式不能满足在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷施工大直径裂隙带定向长钻孔,传统的定向钻进技术在施工过程中,由钻头转动的动力来源于高压泥浆,钻头和转子转动,钻具的其他部分仅能沿轴向滑动,螺杆马达在工具面可保持一个稳定的方向。钻进的过程中,高压泥浆驱动螺杆马达带动钻头转动,同时,钻机来带动钻具回转并向钻具施加钻压,由于螺杆马达的倾角随着其定子的旋转在不断变化,所以无法实现钻孔轨迹的连续人工控制,钻进的实际应用效果并不理想,我公司通过利用孔底定向钻进技术中的随钻测量探管对倾角和方位角和工具面向角等数据,实时传输到孔口计算机内进行处理,形成钻孔实钻轨迹并显示。根据设计轨迹与实钻轨迹偏斜状况,调整工具面向角以达到调整钻孔轨迹的目的,实现实时调节对钻孔轨迹的精确控制,保证钻孔轨迹在大直径裂隙带中的有效延伸。3.3.4 施工工艺按施工设计要求,主要施工工序有:首先调整好角度固定钻机之后,第一阶段采用1 2 0 mm钻头开孔1 2 m、之后用2 6 5 mm扩孔钻头扩孔1 2 m、再使用8寸P V C封孔管临时封孔、再安装“边钻边抽”瓦斯防喷收集装置、随后穿随钻测量装置(随钻测量系统实时测量钻孔轨迹倾角、方位角及螺杆马达工具面向角等参数,校正钻孔轨迹)和孔底马达、接着安装复位弯头、用1 2 0 mm钻头进行打钻(每3米测量一次钻孔数据并保存)、达到钻孔施工深度以后进行洗孔,洗孔之后起拔钻杆;第二阶段使用 1 6 5 mm钻头进行二次扩孔、扩孔到位后进行退钻;第三阶段再使用2 0 3 mm钻头第三次扩孔、之后洗54 2 0 2 3年第4期王广鑫 Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机在大直径裂隙带定向长钻孔施工中的应用孔、起拔钻杆;钻孔结束后将8寸P V C封孔管更换为6寸P V C封孔管、之后采用两堵一注囊袋式带压注浆封孔1 2 m(6寸P V C)、4寸埋线管连孔、安设集中式放水器、之后用4寸埋线管连接到4 5 0 2胶带巷抽采管路系统进行抽放,最后进行现场清理保证文明施工。以胶带巷开口距5 8 6 m处位南侧帮大直径裂隙带1#钻孔实际钻孔为例轨迹图如下。图2 4 5 0 2胶带巷开口距5 8 6 m处位南侧帮大直径裂隙带1#钻孔实际钻孔轨迹图(剖面图、水平图)3.3.5 封孔及抽放工艺封孔采用6寸P V C封孔管,封孔长度1 2 m。封孔采用“两堵一注”注浆封孔工艺,按水灰比0.90.7 51配比水泥注浆液,每一个钻孔施工结束后及时连孔并加设放水器,连孔采用配套带法兰盘阻燃埋线管,并入巷道抽采管路系统进行抽放。钻孔64 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 施工时利用巷道内3 2 0 mm抽放管路带抽,抽放管路带入回风大巷高浓8 0 0 mm管路。4 钻进效果分析大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺是顶板大直径裂隙带定向长钻孔安全高效施工的关键因素,是高位大直径裂隙带定向钻孔高效抽采采空区瓦斯的前提。大直径裂隙带定向长钻孔钻进技术钻进过程中Z Y L-1 7 0 0 0 D型全液压钻机配备随钻测量系统对钻孔轨迹的参数进行实时测量,通过大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺实现钻孔轨迹可以定向控制的同时,发挥钻进的技术优势。大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺技术在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷进行应用,效果明显,其主要表现在以下3个方面。(1)钻进效率的提高。根据现场应用效果,大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺能够很好的实现钻孔轨迹方向和方位的控制,且比纯粹的传统的定向钻进工艺对钻孔轨迹控制更加精确,根据监测统计时数据的对比可知,在4 5 0 2胶带巷大直径裂隙带钻孔施工过程中,大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺相对于传统的定向钻进工艺机械钻速相对提高3 0%以上,相同条件下与传统钻进工艺机械的钻速对比,大直径裂隙带定向长钻孔钻进的施工工艺能够大大提高钻进的效率和钻孔速度,缩短工程工期。(2)实 现 了 深 孔 钻 进。根 据 现 场 施 工 情 况,4 5 0 2胶带巷大直径裂隙带定向长 钻孔钻进工 艺4 5 0 2胶带巷钻孔孔壁光滑、孔壁沉渣少、钻孔曲率小,有利于实现深孔钻进。(3)移动便捷。Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机钻车的主要构成部分(如泵站系统、动力头、底盘总成、主操纵台、随钻测量装置、前夹持器、液压油箱、液压管路系统等部分)与钻车通过螺栓共同安装在履带车体上,结构紧凑,便于井下进行搬迁和运输,缩短了Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机移场时间。5 应用情况大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺在华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷的实施,取得了显著的效果。区域措施效果的检验数据跟以往的数据对比表明,在使用大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺技术后,4 5 0 2智能化综采工作面瓦斯含量由3.5m3/t降低到2.8m3/t;回风流中的平均瓦斯浓度由0.6%降低至0.3%;瓦斯抽采负压上升至2 5k P a以上,抽采瓦斯量为1 5.2 7 m3/m i n,瓦斯抽采浓度从平均9%提高至3 1%,抽采纯流量从0.3 m3/m i n提高至1.7m3/m i n。华晋焦煤沙曲一号煤矿4 5 0 2胶带巷单孔抽采参数明显提高,抽采钻孔均无塌孔,成功扼制了因塌孔而造成钻孔报废问题。6 总结大直径裂隙带定向长钻孔使用的钻机是Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机,有效解决了传统钻机的频繁搬运问题,其钻机覆盖范围广,延伸距离长,还能保证钻孔在煤层顶板裂隙带内有效延伸;解决了钻孔距离短的问题;遏制了因塌孔而造成钻孔报废问题;同时减少了投入,有效降低了瓦斯治理成本。通过施工工艺创新和过程严密管控,不断优化施工中遇到的问题,同时,狠抓施工质量,加强设备管理,强化技术培训,全力确保钻孔施工质量达标,保障了工程质量,保证了工程工期,保证了施工安全。在公司后续的相关工程施工中将大直径裂隙带定向长钻孔钻进工艺,并进行技术优化,降低施工成本,发挥设备及钻具的最大性能,提升钻孔质量,及时做好客户回访工作进行抽采数据分析,让“精准抽采”强基达标,提质增效,确保矿瓦斯治理取得实效,使公司增强此类业务竞争力。参考文献1 钱鸣高,缪协兴等.岩层控制的关键层理论M.徐州:中国矿业大学出版社,2 0 0 3.2 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究J.煤炭学报,1 9 9 8(5)4 6 6-4 6 9.3 郝世俊.抽放瓦斯定向钻孔施工技术的研究J.探矿工程,2 0 0 3(4).4 李安昌.高位定向长钻孔在工作面瓦斯治理中的应 用 J.中 国 室 内 装 饰 装 修 天 地,2 0 1 9(0 0 7).5 杨晓红;柴文忠.千米定向钻机在山西焦煤集团的应用情况分析J.山西焦煤科技,2 0 2 0(3):4-85 李宏;马金魁.大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 J,煤炭科学技术.74 2 0 2 3年第4期王广鑫 Z Y L-1 7 0 0 0 D型履带式全液压定向钻机在大直径裂隙带定向长钻孔施工中的应用