高位定向长钻孔大孔径护孔工艺研究

高位定向长钻孔大孔径护孔工艺研究

韩东波

宿州市应急局安全生产执法支队 安徽宿州 234000

摘要：高位定向长钻孔是进行采空区瓦斯抽采的主要措施，针对芦岭煤矿松软破碎煤层，施工定向长钻孔易塌孔堵孔，造成抽采效率低下的问题，提出了当孔内正常时，采用“推进+导向”方式进行护孔，当孔内塌孔时，采用“钻进+导向”方式进行护孔，可将筛管下至孔底。研究发现，采用新的护孔工艺，可将护孔筛管直径提高1.5倍，内径提高2倍，孔眼提高2.8倍，使抽采效率提高4倍以上。在回采期间可保证瓦斯抽采纯量稳定，解决回风流及上隅角瓦斯浓度超限问题，同时可有效提高钻孔护孔经济效益。

关键字：定向长钻孔；护孔工艺；松软破碎煤层；给进装置；导向装置

引言

随着煤矿开采深度的逐渐加深，煤体原始瓦斯含量逐步增大，采空区瓦斯的大量涌出会极大的影响着工作面的回采安全，因此需要针对采空区的瓦斯进行治理。针对采空区瓦斯的治理方法，学者们进行了大量的研究，马恒^[1]等研究了高抽巷抽采采空区瓦斯的抽采效果，并对高抽巷的布置最佳位置进行了分析。杨洋^[2]等提出了利用大直径钻孔抽采采空区瓦斯的技术，可有效解决瓦斯尾巷取消后工作面采空区瓦斯和上隅角瓦斯超限问题。方俊^[3]等研究了大功率定向设备，解决了大直径顶板高位定向钻孔抽采瓦斯的问题。高保彬等^[4]对李雅庄煤矿高位抽放巷、高位钻孔、瓦斯尾巷3种采空区瓦斯治理技术进行深度分析，分别对通过现场实践对抽采参数以及管理、施工进行分析，表明高抽巷在李雅庄煤矿采空区瓦斯治理中能起到最好的瓦斯治理效果。徐景德等^[5]对王家岭煤矿工作面上隅角瓦斯治理的技术进行了研究,根据现场观测和理论分析，分析“Ｕ套Ｕ” 型通风系统的优点，该技术取得了良好效果。目前随着定向钻机的发展，高位定向长钻孔抽采采空区瓦斯作为一种高效的瓦斯治理手段已进行了大面积推广，取得了较好的抽采效果及抽采效率^[6-8]。

虽然定向长钻孔抽采采空区瓦斯是一种有效的瓦斯治理手段，但是当煤体稳定性较差，煤层松软破碎时，施工钻孔时塌孔频繁，成孔后也容易塌孔堵孔，对瓦斯抽采效率形成很大的影响^[9,10]。基于此，笔者研制了给进装置与导向装置，引导筛管进行护孔，使钻孔可全程下护管，提高抽采效率，实现工作面的安全高效开采。

1工作面概况

Ⅲ811综放工作面为芦岭矿Ⅲ1采区首采综合机械化放顶煤工作面。工作面位于矿井三水平东部Ⅲ一采区，工作面东临Ⅲ一边界上山，西临8煤层工业广场保安煤柱线，南至Ⅱ817工作面采空区及Ⅱ818工作面，北为Ⅲ13工作面采空区。工作面主采8煤层，煤层厚度3.33-14.75m，平均8.25m，属稳定煤层，9煤层厚0-4.25m，平均1.21m，属极不稳定煤层，且面内多为8、9煤层合并区，煤层倾角13-42°，平均25°。回采区域平均走向长717.0m，倾斜宽175.9m，斜面积126120.3m²。实测8、9煤层最大原始瓦斯压力为5.0MPa，最大原始瓦斯含量为19.26m³/t。

该面开采软岩作为保护层，以解放工作面回采区域8、9煤层，软岩面上距9煤层底板法距54.0-64.0m，平均59.0m；下距10煤层顶板法距20.0-27.0m，平均23.0m。Ⅲ811工作面底部的Ⅲ11和Ⅲ13岩石工作面已经回采结束。经过瓦斯综合治理后，该面8、9煤层最大残余瓦斯含量3.5m³/t，最大瓦斯压力0.3MPa。

图1 Ⅲ811综放工作面平面图

2.施工工艺

Ⅲ811综放工作面一次采放全高，与一般综采工作面相比，瓦斯涌出量增大，在采空区上方高浓度瓦斯大量积聚威胁工作面安全生产；且8煤层为特厚极松软低渗透性煤层，瓦斯治理要求更高。采用定向钻探技术可精准定位目标层位、综合成本低、抽采效果好。工作面定向钻孔主要用于抽采受工作面采动影响采空区顶部及上隅角卸压瓦斯，防止回采时上隅角瓦斯超限。

图2 风巷定向高位钻孔布置立体图

图3 风巷定向高位钻孔布置平面图

图4 风巷定向高位钻孔走向方向布置剖面图

在Ⅲ811工作面风巷施工两个巷帮钻场，采用ZDY-12000L大型钻机施工定向高位钻孔，BLY460履带式泥浆泵站以及YHD3-1500泥浆脉冲随钻测量系统，配套使用Φ89mm五级马达定向钻进施工，孔径120mm，。分别在工作面东、西风巷各施工12个钻孔，单孔长度约540米。钻孔实际施工过程中，由于受地质条件的影响，塌孔现象时有发生，钻孔施工与下筛管难度增大，不利于钻孔的瓦斯抽采。通过优化钻孔设计，积极探索与研究施工工艺，在下筛管工艺上大胆尝试，作出了创新。研究高位定向长距离钻孔大孔径护孔筛管施工工艺。

（1）东风巷定向高位钻孔下筛管工艺：作为对比，采用传统钻孔下筛管，使用的是φ50mm的铁筛管，使用人工与钻机相结合的方式将筛管下至孔内。

（2）西风巷定向高位钻孔下筛管工艺：西风巷定向高位钻孔增加给进装置与导向装置，并将筛管改成φ73mm的铁筛管。当孔内正常时，采用方式一：推进+导向方式；当孔内塌孔时，采用方式二：钻进+导向方式，导向头上安装合金片，遇到塌孔时可以采用钻进将筛管下至孔底。

图5 推进+导向方式

图6 钻进+导向的方式

3 工艺实验对比

（1）两种下筛管工艺通过试验进行比较，在同等条件下，比传统下筛管速度提高了2倍以上。既降低了工人的劳动强度，又能将筛管完全下至孔底。

（2）Ⅲ811西风巷高位定向长距离钻孔所下的新筛管在孔径及孔眼都比原用筛管大（新筛管规格：φ73mm、内径φ60mm、孔眼17mm、原筛管规格：φ50mm、内径φ30mm、孔眼6mm），瓦斯抽采效率提高了4倍以上，极大的提高了工作面瓦斯抽采效果，西风巷抽采纯量稳定在8m³/min左右。回采期间，回风流瓦斯浓度保持在0.4%以下，保障了工作面的安全生产，杜绝了瓦斯超限事故，瓦斯治理效果显著。

（3）大孔径筛管在成本上与原用筛管较原筛管价格每米约低130元左右，按照矿井定向长距离高位钻孔施工，每年节约材料成本约200万元，取得了良好的经济效益。

4 总结

（1）在定向长钻孔塌孔时，采用钻进+导向方式，导向头上安装合金片，采用钻进将筛管下至孔底。

（2）采用新的护孔工艺，可将护孔筛管直径提高1.5倍，内径提高2倍，孔眼提高2.8倍，使抽采效率提高4倍以上。

（3）采用新的护孔工艺，在回采期间可保证瓦斯抽采纯量稳定，解决回风流及上隅角瓦斯浓度超限问题。

（4）采用新的护孔工艺，可有效提高钻孔护孔经济效益。

参考文献：

[1]马恒,王祥宇,张遵国.高抽巷治理采空区瓦斯层位研究[J].中国安全生产科学技术,2019,15(1):81-87.

[2]杨洋,杨帅.大直径钻孔采空区瓦斯治理技术研究[J].煤炭与化工,2020,43(10):88-91,95.

[3]方俊,石智军,李泉新,等.顶板高位定向大直径长钻孔钻进技术与装备[J].矿业研究与开发,2015,35(7):92-97.

[4]高保彬,潘家宇,秦金辉.李雅庄煤矿采空区瓦斯治理方法及效果分析[J]．中国安全生产科学技术,2014,10(9):146-151.

[5]徐景德,齐睿琛,彭兴力,等．王家岭煤矿工作面上隅角瓦斯治理的技术研究[J].华北科技学院学报,2016,13(1):14-18.

[6]许石青,余婕,田世祥,等.采空区瓦斯高位定向长钻孔抽采技术研究[J].矿业研究与开发,2021,41(4):27-31.

[7]李爱军.成庄矿2319面采空区顶板高位定向钻孔的工艺研究[J]．煤炭技术,2014,33(6):113-114.

[8]石浩,张杰,何乐.高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理中的应用[J].探矿工程,2018,45(7):37-40.

[9]李强,叶嗣暄,金新.松软煤层顺层孔筛管护孔工艺及装备应用[J].煤炭科学技术,2017,45(6):147-151.

[10]纪宝柱.煤矿井下松软煤层钻孔护孔及封孔高效抽采工艺研究[J].矿业科技,2019,(2):311-312.