松软煤层高压氮气驱动定向钻进区域瓦斯治理技术分类与应用.pdf

192 实 践 区域治理 PRACTICE 松软煤层高压氮气驱动定向钻进区域 瓦斯治理技术分类与应用 陈卫东 陕西陕煤韩城矿业有限公司 摘要：近年来，定向钻进技术取得了长足进步，煤矿瓦斯治理效果显著。因不同煤田在地层条件和煤层赋存方面的差异性，各矿区在定向钻进技术的适用性和技术要求上有所区别。依据防治煤与瓦斯突出细则对煤矿井下定向钻进技术的相关规定，为进一步完善和应用定向长钻孔瓦斯治理技术，通过渭北煤田韩城矿区定向长钻孔瓦斯治理技术工程实践验证，松软煤层高压氮气驱动定向钻进区域瓦斯治理技术适用于韩城矿区采掘工作面本煤层瓦斯治理及保护层与被保护层卸压瓦斯治理，抽采效果大幅提升，能够实现安全高效生产。随着该技术研究应用逐步深入和工程实践不断拓展，总结完善并形成了一套适合韩城矿区的定向钻进技术应用标准。关键词：松软煤层；高压氮气驱动；定向钻进；区域瓦斯治理 中图分类号：TD713 文献标识码：A 文章编号：2096-4595(2023)23-0192-03 作者简介：陈卫东，生于 1985 年，男，汉族，河南睢县人，本科，通风工程师，研究方向为矿井通风与安全、瓦斯灾害治理。一、技术含义 松软煤层高压氮气驱动定向钻进区域瓦斯治理技术：针对松软煤层特征，采用高压氮气驱动定向钻进技术，有效解决松软煤层成孔难题。该技术适用于掘进工作面顺层长钻孔预抽煤巷条带瓦斯、穿层长钻孔预抽煤巷条带瓦斯；回采工作面顺层钻孔或者穿层钻孔预抽回采区煤层瓦斯，减少岩巷工程，实现大区段瓦斯治理，有效缓解采掘接续紧张局面1。二、技术分类 松软煤层高压氮气驱动定向钻进区域瓦斯治理技术类型见表 1。三、技术应用条件 1.对煤的坚固性系数 f0.35 以上，煤层原始瓦斯含量 W12 m3/t、原始瓦斯压力 P1.0 MPa 的目标区，区域瓦斯治理措施宜采取松软煤层高压氮气驱动定向钻进技术。2.对突出煤层工作面倾斜长度大于 200 m、常规钻孔设计孔深大于 90 m 的工作面，区域瓦斯治理措施宜采取松软煤层高压氮气驱动定向钻进技术2。四、瓦斯治理技术要求（一）预抽煤巷条带煤层瓦斯治理技术要求（1）顺层定向或穿层定向长钻孔预掘煤巷条带瓦斯，钻孔应当控制煤巷条带煤层前方长度300 m、煤巷两侧轮廓线外15m范围内的煤层（如图 1图 3 所示），钻孔间距依据实际考察的钻孔有效抽采半径确定，钻孔孔径一般96 mm，采用高压氮气驱动定向钻进工艺。（2）定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的有效抽采时间不得少于 30 天；如果在钻孔施工过程中发现有喷孔、顶钻等动力现象的，有效抽采时间不得少于 60 天3。（3）定向长钻孔进行区域防突措施效果检验按照防治煤与瓦斯突出细则（2019）第六十九、七十、七十一、七十二条要求执行。（4）煤巷条带区域防突措施效果检验有效时，区域验证按照防治煤与瓦斯突出细则（2019）第七十三、七十四条执行。（二）回采工作面区域瓦斯表 1 区域瓦斯治理技术分类 分类依据分类依据 治理区域治理区域 类型类型 按瓦斯治理方法分类 掘进工作面 定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯 掘进工作面 穿层定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯 回采区域 顺层定向长钻孔回采区域煤层瓦斯 被保护层区域 穿层定向长钻孔预抽回采区煤层瓦斯 193 实 践 区域治理 PRACTICE 治理技术要求（1）大工作面区域瓦斯治理技术：对突出煤层工作面倾斜长度大于 200 m、常规钻孔设计孔深大于 90 m 的工作面，在工作面机巷施工顺层定向长钻孔孔深大于150 m，在风巷施工常规顺层钻孔孔深大于 60 m，压茬长度 10 m，对工作面进行治理4。依据实测的钻孔有效抽采半径确定，钻孔孔径一般96 mm。（2）一孔两消区域瓦斯治理技术：对突出煤层工作面由一条巷道向相邻巷道施工顺层定向长钻孔，终孔位置在相邻巷道外侧15 m 位置，对掘进和回采区域同时进行治理，达到一孔两消的目的，依据实测的钻孔有效抽采半径确定，钻孔孔径一般96 mm。（3）多煤层区域联合治理技术：对开采保护层回采工作面，被保护层为突出煤层，且层间距小于 10 m，需对被保护层同时进行治理，在保护层工作面施工穿层定向长钻孔对被保护层进行全覆盖治理，空白带区域采用常规穿层和定向穿层进行补孔。依据实测的钻孔有效抽采半径确定，钻孔孔径一般96 mm。（4）开始抽采后沿工作面走向方向至少每 200 m 为一个抽采单元安装抽采计量仪器，对瓦斯抽采流量、浓度、负压、温度等参数进行定期测定或监测，做好记录并存档。（5）区域防突措施效果检验按照防治煤与瓦斯突出细则（2019）第六十九、七十、七十一、七十二条要求执行。（6）区域防突措施效果检验有效时，区域验证按照防治煤与瓦斯突出细则（2019）第七十三、七十四条执行5。五、配套装备要求（一）定向钻机相关要求 钻 孔 施 工 长 度 一 般 为300 m，要求定向钻机扭矩6000 Nm，可实现-2090钻孔倾角及 0-360方位角调整；钻机长度3.8 m，宽度1.3 m，施工孔径96 mm。（二）矿用螺杆式移动空气压缩机及煤矿用移动式膜分离制氮装置相关要求 矿用螺杆式移动空气压缩机流量20 m/min，额定压力2.0 MPa；矿用移动式膜分离制氮装置制氮量 1000 m/h，额定压力2.0 MPa，氮气浓度97%。（三）其他配套设备相关要求（1）采用三棱螺旋槽通缆钻杆或空心钻杆，钻杆直 径70 mm，定向钻头采用直径96 mm圆弧或平底钻头。（2）采用孔口防喷除尘装置，有效防止喷孔造成瓦斯超限。六、施工工艺 1.开孔：采用“73 mm三棱螺旋槽通缆钻杆+96 mm钻头”回转开孔 12 m，调整角度后通过上下支撑并配合锚杆和花篮螺栓稳固好钻机，然后 依 次 采 用 165 mm、203 mm 扩孔钻头扩孔 6 m，下入159 mmPE 封孔管 4 m，孔口进行封堵。2.安装孔口除尘防喷装置：将集尘器安装在需钻孔煤壁的相应位置上，用矿用高压胶管连接集尘器和射流盘，接好汽、水接口。3.连接钻具：依次连接96 mm 定向钻头、73 mm 空气螺杆马达、73 mm 测量装置、73 mm 三棱螺旋槽通缆钻杆和送风器；气动螺杆钻具和无图 1 定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯平面布置示意图 图 2 定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯剖面布置示意图 图 3 穿层定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯剖面布置示意图 194 实 践 区域治理 PRACTICE 磁钻具之间丝扣涂抹好螺纹紧固胶，凝固不少于 45 min。4.校正工具面：旋转螺杆钻具弯头向上，点击孔口监视器软件界面，然后通风后进行校正工具面操作。5.下钻后钻进：将钻具送入孔内，依次打开除尘器风水管路，除尘器工作后，打开氮气管路阀门供风，待气动螺杆钻具正常运转后开始钻进；以复合钻进为主，滑动定向钻进为辅。6.测量数据和轨迹控制：每钻进完成 3 m 测量钻孔数据，钻进煤层顶底板岩层或破碎地层无法钻进时，提至合适位置开分支。7.终孔退钻：钻机钻进至设计孔深时退钻，退钻前在孔底位置带风吹孔不低于 30 分钟。退钻过程中每隔 10-20 m 带风吹孔排渣一次，吹孔时间不低于 10分钟。8.退 钻 后，孔 口 下 入 50 mmPVC 实 管，孔 内 下 入 50 mmPVC 双层筛管，进行“三堵两注”封孔，封孔长度 20 m。9.连孔：封孔结束后与巷道内的抽采支管连接抽采。七、高压氮气驱动定向钻进施工配套环境条件要求（一）施工巷道相关要求（1）巷道内有皮带时，巷道宽度5.2 m，高度2.2 m，有效施工宽度3.8 m；巷道内无皮带时，巷道宽度4 m，高度2.2 m。（2）应在施钻地点上风侧5 m 范围内配备消防器材，至少包括 2 个 8 kg 干粉灭火器和不小于0.075 m的沙子、0.075 m潮湿的黄土。（二）制氮装置安装位置要求（1）制氮装置必须设置在采用不燃性材料支护全风压进风巷道中，硐室内安装照明。1 台钻机施工时，配备 1 台空气压缩机和 1 套制氮装置，所需硐室空间长 度12 m 宽 度3 m 高 度2.5 m；2 台钻机施工时，配备 2台空气压缩机和 1 套制氮装置，所需硐室空间长度 16 m宽度3 m高度 2.5 m。（2）硐室内配备消防器材，至少包括 4 个 8 kg 干粉灭火器和不小于 0.075 m3的沙子、0.075 m3潮湿的黄土。（三）供电相关要求 制氮硐室内配备一台馈电开关，一台综保；电缆规格和截面应满足定向钻机和空压机运转需要，电缆吊挂标准应符合煤矿安全生产标准化要求。（四）压风管路安装要求 安装的供气管路口径大于或等于机组排气管，才能保证压力损失不至于太大，同时保证管网不泄漏。供气管路敷设专用管路，管路直径4 寸，能够同时满足 2台钻机施工要求。（五）供、排水管路要求 钻机施工地点，供水管路出1 个25 mm 接口供钻机冷却水用；出 1 个19 mm 的接口连接钻机流量计处三通；出 1 个10 mm的接口连接施工点除尘喷雾。施工巷道每隔 50 m 施工一个小水仓，安装水泵连接至排水管路。（六）抽采管路相关要求（1）巷道内应具备专用的抽采系统，管路直径DN300 mm，在定向钻场口留出 DN300 mm 变DN200 mm 三通。（2）根据计算，孔径 96 mm，钻孔长度 300 m，孔内负压损失3.5 kPa，预抽钻孔孔口负压18 kPa，抽 采 支 管 负 压 应 20 kPa。（3）每个抽采单元安装抽采计量装置，对瓦斯抽采流量、浓度、负压、温度、一氧化碳等参数进行定期测定或监测。（七）钻孔下筛管、封孔相关要求（1）因松软煤层下单层筛管抽采一段时间后，筛管容易堵塞，影响抽采效果，孔内宜采用下高强度排水渣双层筛管，外管50 mm，内管32 mm。在钻孔长时间预抽后钻孔内部有煤粉堵塞，可通过内管吹送高压气体，疏通管路，同时将积水排出，疏通管路，提高抽采效果。（2）钻孔封孔采用三堵两注封孔工艺，顺层定向长钻孔封孔长度20 m，穿层定向长钻孔封孔长度15 m。（八）孔底负压检测装置 顺层和穿层定向长钻孔每 6个孔为一组连接至抽采支管。孔底负压检测装置每组钻孔（6 个）安装一个孔底负压检测装置，负压表安装在孔口与双层筛管中32 mm 内管连接，要求孔底负压5 KPa。参考文献 1 郭建行.近距离高瓦斯煤层群首采层“一面四巷”瓦斯治理技术J.煤炭工程,2023,55(05):70-75.2 解云超.高瓦斯矿井 U 型通风工作面瓦斯治理技术应用J.山西化工,2023,43(04):180-182.DOI:10.16525/14-1109/tq.2023.04.064.3 高贤成,孙江涛,张俊虎等.中厚煤层高瓦斯采煤工作面综合瓦斯治理技术应用J.煤炭科技,2023,44(02):86-90.DOI:10.19896/ki.mtkj.2023.02.017.4 左明明.坚硬顶板综采工作面采空区三维立体式瓦斯治理技 术 研 究 J.煤,2023,32(04):10-13+60.5 高建军.水砂压裂瓦斯治理技术钻井工程设计研究J.能源 与 节 能,2023(03):137-139+154.DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.060.