高位定向长钻孔代替普通倾向孔施工技术研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期技术应用高位定向长钻孔代替普通倾向孔施工技术研究赵晋龙（晋能控股煤业集团泽州天安煤业有限公司，山西晋城0 4 8 0 0 0）摘要：为有效抽采矿井瓦斯，以晋能某矿瓦斯抽采工程概况为例，通过计算采空区顶板三带高度，提出了可选用ZYL-6000D型定向钻机来打设高位定向长钻孔的施工技术，介绍了钻孔布设情况及现场施工情况，并对高位定向钻孔施工与普通高位倾向钻孔施工的瓦斯抽采效果及钻探情况进行了对比分析，发现在相同工况下，应用定向钻孔施工，可使得施工进尺减少7 0%，可使瓦斯抽采纯量提高1.52 倍，得出应用高位定向钻孔进行瓦斯抽采施工，不仅打钻进尺更少，而且相关配套工程更少，瓦斯抽采效果相对更好。关键词：瓦斯治理；定向长钻孔；倾向钻孔；施工进尺；抽采纯量中图分类号：TD7130引言在高瓦斯矿井中，开采方式具有多样化的特点，而最为典型的则是高位钻孔技术,该技术成功的解决了上隅角瓦斯的问题,是最高效的手段之一，被广泛运用在矿产开采领域 1。而传统的高位钻孔技术以高位倾向孔为主,钻孔成本较高。近几年来,随着科研技术的不断进步，定向钻机也迎来了较大的发展机遇，解决了钻井成本高的难题,进而推广到了全国。从综合情况来看，该高位定向钻孔的抽采时间及效果较好，渐渐替换了传统的倾向孔的方式，成为了钻孔的主流方式。1工作面概况以晋能控股煤业集团（全文简称晋能)为主要依托进行理论研究，该集团主要开采了三号煤层。该煤层是中型规模的工作面，其开采方式为综采放顶煤，其顶板的管理方式为垮落法。根据现场的测量数据显示，煤层的高度高达6.6 1m，经计算后可知，煤层平均高度为4.2 6 m，工作面的高度为2.8 m，放顶煤具有一定的高度，数值大约为1.7 m,采放比达到了1：0.6 0 7。在该矿井中,顶板及地板两者的质地坚硬，通常长是有砂质泥岩及粉砂岩构成，具有较大的稳定性。而根据该煤层的调查报告可知，透气系数在0.6 3 57 7.9727m/（M Pa d）的范围内，瓦斯的涌出量在0.330m/min左右,其衰减系数可达到0.4 2 3 4 d-1/hm。该工作面编号为2 3 12,其通风方式为U型，具有一进一回的顺槽构造,具体的结构如图1所示。该通风系统主要有两个槽道，一个槽道为进风顺槽,另一个槽道则为轨道回风顺槽。前者使用了输送机。在该系统中,每分钟的通风量可达到110 0 m,工作面的宽度及长度分别为17 5m及556 m。经过测量可知，该工作面的瓦斯含量较多,在该工作面的西边，其瓦斯的涌出量可达4.56 m/min，而收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 1作者简介：赵晋龙（198 7 一），男，山西晋城人，本科，毕业于太原理工大学，通风工程师，研究方向为一通三防技术研究。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A经过回采系统的瓦斯的涌出量可达4.8 m/min，其含量较多。该工作面与2 3 14 相邻,解决上隅角瓦斯都采用了高位倾向钻孔方式，钻场与钻场的间距达到了7 0 m，钻场内部的设有钻孔，其数量一般为10 个，通常情况下，施工的周期较长。通过研究可知，2 3 12 回采工作面的长度为556 m,属于较短距离,因此可在该工作面的回风联络巷内实现高位定向长钻孔方式，该工作面的钻场内部仅需要5个钻孔，能够在缩短周期的前提下，覆盖整个工作面长度。2钻孔布置2.1钻孔层位该工作面的煤层厚度可达到4.5m,具有一定的倾角，平均角度为1，而其顶部属于砂质泥岩与粉砂岩的混合体,其中前者厚度大约为0.7 8 m,而后者的厚度可达到6 m,在该工作面的基本顶属于中粒砂岩，其厚度为14.2 m，该工作面的具体情况如表1所示。经过考虑可知，工作面的岩石硬度较低，因此顶板在岩性选择上设定为中硬,其具体的计算公式如表2所示。经过测量可知，公式计算中需要采高M，冒落带高Hm裂隙带高H1，其数据分别为9.4 14.4 m及16.129.1m。而高位钻孔的理论取值应当在16.129.1m，这是因为高位钻孔的层位在裂隙带中,取值参考了裂隙带参数。Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.085文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 2 14-0 42312泄水巷2312带式输送机进风顺槽*2312轨道回风顺槽40水仓20m水仓图12 3 12 工作面通风系统图2023年第8 期表12 3 12 工作面综合状表工作面岩层岩性砂质泥岩深灰色，夹薄层粉砂岩，含植物化石k8细粒砂岩灰白色，含白云母及暗色矿物，石英为主，长石次之，交错层理砂质泥岩深灰色，含植物化石，见白云母，断口参差状灰色一深灰色，含白云母及暗色矿物，夹泥质条中粒砂岩带，波状层理，夹煤线，石英为主，长石次之粉砂岩深灰色，含白云母夹薄层砂泥，见植物化石，断口较平坦，水平层理砂质泥岩深灰色，含丰富化石及煤屑，断口平坦3号煤砂质泥岩灰色，含白云母及暗色矿物，见煤韵，波状层理，k7细粒泥岩硅质胶结表2 采空区三带高度计算公式覆岩岩性冒落高度计算公式/m坚硬Hm_1002M 2.52.1M+16100ZM中硬Hm=6.2ZM+10100ZM软弱Hm=3.2M+32100ZM极软弱Hm=7.0ZM+63 1.22.2钻孔设计经过上述阐述可知，裂隙带的取值大约在16.129.1m之间，又因为2 2 13 的邻近面的倾向孔的层位在2 0 3 0 m之间,通过详细的分析及研究,确定了高位定向孔的数量为5。该工作面的长度为554 m，钻场势力在回风联络巷中，每个钻场内部的钻孔数量为5个,对其进行水平投影可知，与回风巷的距离不超过3 5m,其平面的布置情况如图2、图3 所示。同时该工作面的层位处在2 0 3 2 m,对其进行剖面可知,钻孔与钻孔之间具有间距,其距离为5m,而垂直方向也有间距,其长度为3 m，根据现场调研数据可知，一号煤层的主孔位距离顶部的长度为2 0 m,而距离回风巷的长句为15m。而五号煤层距离顶板的长度为3 5m，总进尺的长度达到了2 8 2 0 m，其具体参数如表3 所示。2312带式输送机进风顺槽2312轨道回风顺槽图2 2 3 12 工作面高位定向长钻孔平面图（单位：m）2312切眼2312回风联络巷图3 22312工作面高位定向长钻孔剖面图（单位：m）赵晋龙：高位定向长钻孔代替普通倾向孔施工技术研究厚度/m孔径/mm距回风距顶板/m倾角/方位角/巷/m(）1.5213.1237.7414.2563现场施工0.783.1施工装备及工艺4.53.1.1装备深灰色，含植物化石级煤线，断口参差状1.591裂隙带高度计算公式/mH_100ZM8.91.2ZM+2100ZM 2.5H;=3.12M+61002M1.5H,=3.1ZM+5100ZMHi=5ZM+83瓦斯抽放室215表3 2 3 12 工作面高位定向长钻孔布置参数表孔号孔深/m5649656496564965649656496对钻孔进行了设计分析，确定了其详细参数，经过分析可知,施工的孔深要大于57 0 m,孔径要大于94mm，因此钻孔设备应符合上述要求，而工作面的材质为岩性,具有一定硬度，因此,经过综合考量,最终选择ZYL-6000D定向钻机,该钻机的性能较强，最大的钻孔深度为10 0 0 m,符合上述标准，其主机参数如表4 所示。6.541520253035表 4 主机参数名称额定转矩/m额定转速/（r/min）推进力/kN起拔力/kN钻孔深度/m终孔直径/mm钻孔倾角/(）钻杆直径/mm外形尺寸/mm该钻孔系统的构成较为简单,最为主要的结构则是钻头、马达、探管、水辫等，该钻孔内置了测量系统，该系统包含了两部分，一部分为孔底，另一部分为空口,前者的结构包含了探管及钻杆，而后者则是由控制其、隔爆电源等构成,其具体的结构如图4 所示。1一钻机;2 一水辫；3 一高压水管;4 一泥浆泵;5一通缆钻杆；6一测量探管；7 一无磁钻杆；8 一螺杆马达；9一定向钻头；10一接收天线；11一地级；12 一孔口监视器图4 定向钻机钻具示意图首先为了帮助钻孔设备的顺利工作，提升工作效率，需要对其提供辅助性设备，该工作面的辅助设备202326293296/133/153-20+2073/8943001642176110111012141618参数6000731801801000258263268273278山西冶金216E-mail:第4 6 卷为泥浆泵车，该车的流量能够达到3 0 0 L/min，该车的型号为BLY400/12,其压力为12 MPa。3.1.2工艺该定向钻孔工艺的具体原则如下：1)钻场具有一定的规模，能够为设备提供良好的工作空间。2)钻机轨迹需要根据现场的实际情况进行设定，在设定其轨迹时,需要考虑多种因素,其中包括了煤层厚度、地址结构及顶板等，进而确定其煤层的方向，同时在设计图中需要避开结构，调整好方位角，使其轨迹不会突变。3)需要进行开孔及扩孔操作,开孔的孔径选择为96mm，而扩孔的孔径则为13 3 mm，两个过程都完成之后，需要清洗保障其孔内的洁净度，并将封孔管打人孔内，完成封孔，进而保障其孔口安全。4)安装钻具需要配套其随钻测量软件，并利用该软件设计其钻孔轨道。3.2定向钻孔施工情况在对1号进行定向钻孔时，会在顶板的2 2 m处出现塌孔现象，经过冲洗处理后，还是未能穿过该空，因此需要将其层位下调至18 m。而在处理2 号时,同上述情况相同，也会出现塌孔现象，需要重新开分支孔，并将层位下调到距离煤层的18 m处。而在对3 号实时定向钻孔操作时，能够顺利通过2 0 m层位，其初始层位在顶板上方，大约在3 1m处，经过多次钻进，出现了塌孔现象，而为了避免产生安全隐患，需要进行开分支孔，最终控制层位在2 9m处。同理在处理4号钻孔时，在大约15m处出现塌孔，需要开分支孔，最终层位控制在距离顶板18 m处。而通过分析其钻孔的施工情况，需要对5号钻孔层位进行下调，最终调整到距离顶板的18 m处。而在对上述的5个空进行钻进时,都在相同的深度范围内出现了塌孔问题，由于该区域是由砂岩及砂质泥岩,质地较为坚硬,因此可根据该现得知,其内部存在破碎带,终孔的位置不能选择在该区域，而且经过计算可知，钻孔内部的有效层位大约有18 m和29m两个,而前者的位置正好处在裂隙带下方,而后者则处在裂隙带上方，虽没有裂隙带的中间层，但是该两个层位满足要求。3.3钻孔成孔情况与传统的施工工艺不同,该定向钻机的适用性较强，通常情况下，钻机在进行施工时，需要考虑施工地点及施工环境，了解施工岩层的整体性情况，同时，还需要了解操作人员的情况。经过上述分析可知，预设的成孔情况同当时的设计具有偏差，最终在该工作面布置了定向钻孔，其数量为5个，距离顶板的高度分别为18 m、2 9 m,详细参数如表5所示。表52 3 12 工作面高位定向长钻孔布置参数表孔号孔深/m孔径/mm距回风巷/m主孔距顶板/m151025103564451055643.4高高位定向钻孔布置参数分析钻孔布置层及回风巷的长度都会影响其抽采效率，而钻孔布置层的裂隙较号，其抽采效率达到最高，同样，当抽采距离回风巷不合适，其抽采效率则不高。3号孔和5号孔离回风巷有一定长度，其数值相同,都为5m。而终孔的位置设置在2 9 m和18 m处，其具体的参数及位置如图5所示，从抽采的效果分析可知，3 号孔的抽采瓦斯效果好，是5号孔的数倍，最高倍数可达5.8。经过计算可知，钻孔内部的有效层位大约有18 m和2 9 m两个,而前者的位置正好处在裂隙带下方,而后者则处在裂隙带上方,因此,层位布置最好在裂隙带中上部区域，范围为2 2.6 2 9.1m。1.81.60.40.20.0406080100120140160180200220240260280300320340工作面推进度/m图52312工作面3 号和5号高位钻孔抽采纯量随工作面推进度变化情况1号、2 号、4 号、5号孔的终孔距离顶板的高度一致,其数值都为18 m，通过对比各个孔的抽采效果来看，1号孔的效果突出，而5号孔效果较差，其出现的原因可能是，后者距离回风巷较近，会出现塌孔现象。工作面的采空区符合塌陷规律，即中间先踏、两边后塌，塌落过程不充分，满足型圈的概念。因此高位钻孔的位置应当在面宽1/3 处，而经过验证后与理论研究相同,在该位置的钻孔抽采量高,效果好。因此定向孔的位置应当在回风巷的15 58 m处。2 3 12 采煤工作面1一5号高位钻孔瓦斯抽采纯量随着工作面实际推进度具体变化情况如图6 所示。532406080100120140160180200220240260280300320340图62312工作面1号、2 号、4 号和5号高位钻孔抽采纯量随工作面推进度变化情况9696969696工作面推进度/m15205105+1号孔+2号孔4号孔礼+5号孔18182918183号孔+5号孔2023年第8 期赵晋龙：高位定向长钻孔代替普通倾向孔施工技术研究2174抽采效果分析与工效评价同普通的倾向钻孔方式，定向钻孔的优势较为明显，首先来说,其层位稳定，具有较小的工作量，钻孔的数量少，同时其瓦斯抽采效果好。4.1抽采效果对比假设该工作面采用倾向钻孔方式进行瓦斯抽采，一般设定该方式的钻孔数量为10 个,经过计算可知，的瓦斯抽采量为2.1m/min。同理，假设使用定向钻孔技术进行抽采，其抽采量达到5.3 m/min，从数值上看,后者是前者的2.52 倍,因此后者的方式效果最好。而使用倾向钻孔方式进行瓦斯抽采，其抽采浓度（瓦斯体积分数）可达5%，同理使用定向钻孔的方式进行瓦斯抽采,其浓度为12.2%，后者浓度为前者的2.44倍，经过多方面统计，可知定向钻孔技术要优于倾向钻孔技术,具体的数值分析如下，保障了安全性。2312工作面与2 3 14 工作面瓦斯抽采纯量随工作面推进度具体变化情况如图7 所示。2 3 12 工作面高位定向钻孔上隅角瓦斯浓度（体积分数随工作面具体推进度变化情况如图8 所示。1210(uu/)/吾畔35557595115135155175195215235255275295315335图7 2 3 12 和2 3 14 工作面瓦斯抽采纯量随工作面推进度变化情况4.2打钻工效对比该工作面实行高位倾向孔的方式，其钻场间隔为70m，而工作面的长度556 m。因此需要钻场数量为8个，而钻孔数量为10 个，长度为110 m，累计长度可达到8 8 0 0 m。Research on Construction Technology of High Position Directional Long Borehole Replacing(Jinneng Holding Coal Industry Group Zezhou Tianan Coal Industry Co.,Ltd.,Jincheng Shanxi 048000,Abstract:In order to effectively drain gas from mining wells,taking the general situation of a mine gas drainage project in Jinneng as anexample,by calculating the height of the three zones of the roof of the goaf,this paper puts forward the construction technology of usingzYL-6000D directional drilling rig to drill high level directional long holes,introduces the drill hole layout and on-site construction,andcompares and analyzes the gas drainage effect and drilling situation of high level directional drilling construction and ordinary high levelinclined drilling construction.It is found that under the same working condition,the application of directional drilling construction canreduce the construction footage by 70%,and can increase the pure gas drainage by 1.52 times.It is concluded that the application ofhigh-level directional drilling for gas drainage construction not only has less drilling footage,but also has fewer related supporting projects,and the gas drainage effect is relatively better.Key words:gas control;directional long drilling;inclined driing;construction footage;extraction pure quantity0.20.028图：2312工作面高位定向钻孔上隅角瓦斯浓度随工作面推进度变化情况该工作面实行高位定向钻孔技术时，钻场的个数为5个，钻孔长度为52 0.8 m，累计长度为2 6 0 4 m。经过两钻孔方式对比可知，其钻孔总数减少了75个，进而提升了工作进度。采用高位倾向钻孔方式需要3 个班次才能完成1个钻孔，平均班次进度为3 7 m。同理，采用定向钻孔方式需要13.4 班次，进尺为3 9m，从工效来看，差别不明显。但是前者需要消耗2 4 0 班次,而后者需要6 7个班次,差距较大。5结论1)根据钻孔要求选择定向钻机，其型号为ZYL-6000D。该钻机的工作效率较高，最大进尺可达到99m。2)根据相关的理论计算可知,裂隙带的高度处在16.1 2 9.1m，而高位定向钻孔处在裂隙带的中上+2312工作面+2314工作面工作面推距离/mOrdinary Inclined BoreholeZhao JinlongChina)68部，该区域具有一定的稳定性，从数值来看，大约在22.629.1m作用，同时，距离回风巷的长度为1558m。3)定向钻孔技术与高位倾向钻孔技术下相比，前者的瓦斯抽采浓度(体积分数)及抽采量都处在领先地位,具有高效的工作效率。4)高位定向钻孔与高位钻孔相比,其抽采时长及抽采效果要好，但是需要专业度较高的操作人员。参考文献1史建,闫波,刘亮亮.高位定向长钻孔与走向钻孔联合抽采瓦斯技术 JJ.山东煤炭科技,2 0 2 1,3 9(10)：2 3-2 5.(编辑:苗运平)108148188228268工作面推进度/m308348388