杨柳煤矿1077里机巷定向顺煤层长钻孔煤巷条带消突技术

杨柳煤矿1077里机巷定向顺煤层长钻孔煤巷条带消突技术

郜光辉

（淮北矿业集团杨柳煤矿，安徽淮北 235119）

摘要：本文分析介绍了杨柳煤矿1077里机巷定向顺煤层钻孔施工抽采瓦斯消突技术。

关键词：煤矿煤层；钻孔施工；抽采瓦斯；消突技术

1.1077工作面瓦斯地质概况

①煤层赋存。杨柳矿1077工作面回采10煤层，煤层厚度较稳定，厚度1.4～5.74m，平均煤厚3.2m，属中厚至厚煤层，以中厚煤层为主，煤层结构单一，煤层在巷道方向上整体呈一上山趋势，倾角变化范围0°～14°，平均7°。工作面为107采区第六个综采工作面。南邻1075工作面已收作，北靠小陈家正断层煤柱，与临涣矿井毗邻。东至大巷保护煤柱，西至杨柳与童亭煤矿矿界。工作面走向长2340m，倾向宽200m，回采二叠系山西组10煤层，采用综合机械化采煤方式开采，顶板采用自由垮落方式管理。②地质构造。根据工作面三维地震勘探及机抽巷、实揭资料、地质探查资料分析，面内有6条正断层，1条逆断层，其中落差大于3m的断层7条断层，对该面采掘有一定影响。③煤层瓦斯参数。根据淮煤通地便（2016）266号文《关于杨柳煤业107采区左翼10煤层突出危险性区域划分的批复》，107采区左翼10煤层-500m以浅为无突出危险区，-500m以深为突出危险区。里机巷突出区共537m，实施防突措施前对煤层原始瓦斯基础参数进行了测定，瓦斯压力最大为1.1MPa，含量最大为7.88m3/t。

2.瓦斯抽采钻孔技术设计

1077里机巷定向顺煤层长钻孔施工钻场布置在里段机抽巷，距煤层底板法距20m左右。钻孔分两段施工，各布置7个钻孔，中间孔（0#）沿巷道中线布置，两侧各布置3个钻孔，控制巷道两帮轮廓线外不小于15m，钻孔直径120mm，煤孔段全程下筛管护孔。第一段：钻孔定向造斜孔深约100m左右进入煤层后顺煤层施工，终孔深度200m；第二段：采用底板羽状分支顺煤层定向钻孔煤巷条带消突技术，钻孔孔深190～200m进入煤层后顺煤层施工，终孔深度520m左右，施工过程中如遇地质条件复杂地段，采用主孔开分支，煤层段连续压茬的方式，实现终孔目标。

3.钻孔施工技术方法

该工程自2020年3月份开始施工，2020年10月份结束，累计施工14孔/8438m，最大孔深576m。①第一段：2020年3月27日开始施工，4月13日结束，累计施工7孔/1380m，下筛管1327m，其中煤孔687m，钻孔最长201m，最短189m。施工工艺：7个钻孔全部采用Φ120mm定向钻头+Φ89mm液动螺杆马达+泥浆脉冲随钻测量系统+Φ89mm高韧性螺旋钻杆定向钻进，一次成孔的施工工艺。护孔工艺：采用可开闭钻头+钻杆内下置筛管（Φ32mmPVC）工艺全程护孔。施工中遇到的问题：顺煤层施工孔内返渣量大，后路排渣不畅，基本无法定向滑动钻进，只能复合钻进，且憋泵抱钻频繁，其中上右1#钻孔施工至192m处钻杆抱死，最终通过套铣成功将设备钻杆打捞出来。②第二段：2020年4月13日开始施工，10月23日结束，累计施工7孔/7058m，下筛管3304m，其中煤孔2500m，控制区域内钻孔煤孔段覆盖率94.1%～100%，钻孔最长576m，最短522m。该段主要采用底板羽状定向钻孔进行施工，在成孔性较好的煤层底板岩层布置主孔，当煤层无法继续施工时，后退至主孔开下一分支重新进入煤层施工，直至煤层底板标高-500m以浅。施工工艺：岩石孔段采用液动马达定向施工；煤孔段：Φ89mm液动螺杆马达+泥浆脉冲或有线通缆随钻测量系统定向顺煤层施工；Φ82mm风动螺杆马达+有线测量或无线电磁波随钻测量系统定向顺煤层施工；普通回转顺煤层施工+二次复测数据。护孔工艺：采用钻杆内水力下置“飞管”工艺对分支孔煤孔段护孔。施工中遇到的问题：使用液动马达顺煤层施工滑动造斜钻进困难，液动马达排量大对松软破碎煤层破坏严重，钻进过程中钻渣量非常大，钻孔施工返渣困难，特别是刚见煤时钻渣在煤岩交界处堆积，钻孔见煤后倾角抬升快。以上因素导致分支孔顺煤层施工长度短，大大的增加了开分支数量，严重影响工期，下左3#孔累计顺煤层施工长度333m，共计施工8个分支孔；采用风动马达+有线通缆随钻测量系统定向顺煤层施工，通缆钻杆的风阻特别大，供风流量随孔深增加衰减非常快，钻孔施工深度受到严重限制；Ф82mm风动马达扭矩小、螺杆强度低，施工过程中损坏两根马达；无线电磁波随钻测量系统信号非常不稳定。

4.钻孔抽采情况及数据分析

第一段：该段控制煤巷条带83m，瓦斯储量10.4万m3，抽采20天内，单孔抽采纯量最大0.75m3/min，抽采浓度最大95%，单孔平均抽采纯量0.18m3/min，煤孔百米抽采纯量0.18m3/min，为普通顺层钻孔的9倍；抽采20天累计抽采瓦斯量3.63万m3，抽采率34.9%。第二段：该段控制煤巷条带325m，瓦斯储量40.71万m

3，抽采20天内，单孔抽采纯量最大0.49m3/min，抽采浓度最大82%，单孔平均抽采纯量0.21m3/min，煤孔百米抽采纯量0.06m3/min，为普通顺层钻孔的3倍；抽采20天累计抽采瓦斯量4.23万m3，抽采率10.4%。抽采数据分析：①第一段钻孔穿煤期间采用液动马达定向施工，相当于采用水力冲孔进行排渣，钻孔施工期间排渣量大，起到了卸压增透的作用，抽采效果相对较高；②第二段钻孔穿煤期间多数采用风动马达定向施工，钻孔施工期间排渣量小，煤孔段孔壁相对完整，抽采相对平稳；③通过以上抽采情况对比分析，采用液动马达施工相对风动马达，钻孔排渣量更大，卸压增透效果更好，相同抽采抽采条件下，顺煤层百米抽采纯量、抽采浓度、瓦斯抽采率更高。

5.工程的技术创新突破

5.1底板羽状分支顺煤层定向钻孔煤巷条带消突技术。煤巷条带消突顺煤层定向钻孔可以替代底板抽采巷和穿层钻孔，提高了治灾效率、节省治理成本。但松软破碎煤层的顺层钻孔施工一直是个难题，特别是复杂地层。1077里机巷首次尝试采用了底板定向梳状钻孔进行条带消突，即以随钻测量定向钻进技术为重要手段，通过在成孔性较好的煤层底板岩层布置主孔，当煤层无法继续施工时，后退至主孔开下一分支重新进入煤层施工，从而实现松软煤层条带消突的目的。

5.2应用了水力下“飞管”分段护孔技术。底板定向梳状钻孔是将钻孔主孔段布置在煤层底板，通过分支孔见煤后顺煤层施工对煤巷条带瓦斯进行抽采消突的一种瓦斯治理定向钻孔。因梳状分支孔顺煤层施工结束后需要在主孔段开分支继续施工，所以无法采取常规方法对分支孔的煤孔段进行下筛管护孔，从而造成煤孔段塌孔堵塞影响抽采效果。通过大通孔钻杆使用高压水将一定长度的筛管输送至孔底，从而实现仅对分支孔的煤孔段下置“飞管”的工艺进行护孔，有效的解决了这一问题。

5.3应用了定向钻孔快速开分支施工技术。底板定向梳状钻孔需要施工大量分支孔，提高开分支的施工效率及成功率尤为重要。通过1077里机巷定向顺煤层钻孔的施工摸索总结出一些提高开分支施工效率及成功率的施工经验并形成开分支施工规范。

5.4抱钻套铣解卡打捞技术的应用。在松软破碎煤层中施工，钻孔后路极易塌孔，造成卡钻、抱钻事故，且处理比较困难，成功率低。1077里机巷定向顺煤层条带消突钻孔首次使用了套铣打捞技术，为抱钻卡钻事故的钻具打捞，挽回损失提供了新的途径和经验。

5.5在地质构造及复杂地段顺煤层实现顺利施工。①添加冲洗液，提高排渣能力。通过在水中添加冲洗液来增加水的粘度及滑度，提高水的携渣能力；该方案在第一段钻孔施工过程中起到了非常好的效果，大大减少了因排渣不畅造成的抱钻事故；②普通回转顺煤层施工+二次复测数据。针对松软破碎煤层采用普通回转顺煤层施工+二次复测数据施工工艺即：稳定岩石孔段采用液动马达定向钻进，以小夹角见煤，之后换压风普通回转，提高该段分支穿煤长度，见岩石后提钻，对该段分支二次复测数据。

5.6提高了无线电磁波随钻测量系统稳定性。无线电磁波随钻测量系统的孔底测量信号是以电磁波的形式通过地层传输至孔口电脑的，测量信号的稳定性受地层条件、孔口锚网、锚杆等铁器影响严重，在使用过程中信号非常不稳定。在施工过程中同西安煤科院相关专家一同对无线电磁波随钻测量系统进行改进，通过改变孔口信号接收方式即将地极锚杆接收改为线圈接收，大大提高了无线电磁波随钻测量系统的可靠性及稳定性。

6.瓦斯抽采钻孔施工效益评估

6.1安全效益。①1077里机巷实测原始瓦斯压力最大为1.1MPa，原始瓦斯含量最大为7.88m3/t，采取定向顺煤层长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施后，经一段时间预抽，采用分段检验的方式进行区域防突措施效果检验，第一评价区域（分两段）煤层残余瓦斯含量最大值3.38m3/t，第二评价区域（分四段）煤层残余瓦斯含量最大值4.57m3/t，分段效检指标均在5m3/t以下，区域防突措施有效，成功实现以钻代巷。②截止2021年3月3日巷道已安全掘进491m，工作面预测指标符合要求；掘进期间回风流平均瓦斯浓度在0.11%，风排瓦斯量控制在1m3/min以内。总之，本工程施工取得了较显著的安全效果。

6.2经济效益。1077里机巷煤巷条带采取定向顺煤层长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施，节省巷道工程500m（含钻场），节省瓦斯治理钻孔工程量约3.5万m，共计节省工程费用1600余万元，实现了巷道工程量和钻孔工程量的双降，解决了治灾工量大、长期占用掘进队伍等诸多弊端，同时大大缩短了瓦斯治理周期，为掘进工作面顺利接替赢得宝贵时间。

7.钻孔施工有效指导安全掘进

通过钻孔施工期间排渣及其他异常情况也有效指导了安全掘进。①第一段钻孔在施工至190～200m左右均不同程度的出现返渣量大，后路排渣不畅，基本无法定向滑动钻进，只能复合钻进，且出现憋泵、抱钻现象，其中右上1#钻孔更是在施工至192m钻杆抱死，后通过套铣成功将设备钻杆打捞出来；通过巷道实揭确认该段位于巷道小型向斜轴部、接近构造区域，煤层松软破碎，帮部来压明显。②第二段钻孔在施工至260～275m、320～340m、390～420m左右均不同程度的出现返渣量大，后路排渣不畅，基本无法定向滑动钻进，只能复合钻进，且出现憋泵、抱钻现象；同时在重新开分支施工时预测见煤点位置均比实际的见煤点位置提前，通过巷道实揭发现上述三个地点均存在落差1.0～2.0m断层。因此通过定向顺煤层长钻孔施工期间返渣情况、实钻轨迹、结合见煤点位置等，可以超前预判区域内煤层赋存情况及是否存在断层、褶曲等异常地质构造，以更好的指导生产。

8.后续工作思路

1）设备上继续同西安煤科院试验改进风动孔底螺杆马达，增加马达的扭矩及排量，同时选配能力更大运行稳定的井下移动空压机，以增加钻孔施工深度。2）施工工艺上继续摸索试验优化钻具组合、钻孔结构以及施工技术等，提高定向顺煤层长钻孔条带消突钻孔的地层适用性及钻孔施工效率。3）通过大胆摸索试验尝试因地制宜地扩展定向顺煤层长钻孔应用覆盖面。①煤巷掘进工作面“一孔多用”，解决掘进工作面停头探查的弊端，实现掘进工作面连续掘进；②突出危险区工作面“一孔双消”，提高顺层钻孔穿煤率，缩短瓦斯治理周期，保证区域消突效果；③采煤工作面“定向补探”，为综采工作面瓦斯治理及安全高效开采提供保障。

参考文献：

[1]朱爱峰.边掘边抽在掘进工作面的应用试验和效果分析[J].中国新技术新产品，2012，09：103-104.

1