瓦斯抽放钻孔定向技术的改进

崔玉刚赵洪杰

黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司煤层气抽放大队黑龙江省双鸭山市155100

摘要：瓦斯抽放是防治瓦斯灾害的主动有效手段,近年,不少局矿采用综合瓦斯抽放技术,增加了瓦斯抽放量,提高了瓦斯抽放率,有效的制止和减少了瓦斯事故的发生。但在采用综合瓦斯抽放技术,常常要布置专用岩石瓦斯抽放巷,无疑增加了抽放成本,而且有些高瓦斯工作面,而对于未布置瓦斯抽放巷的,则无法实施综合抽放技术。

关键词：抽放瓦斯;定向钻孔

引言：井下定向钻孔在煤矿中的应用是近年来发展起来的新工艺。它适用于煤层的瓦斯预抽、临近层瓦斯抽放和防治煤与瓦斯突出的局部措施。

1顶板岩石水平长钻孔抽放邻近层瓦斯

在煤层群开采条件下,邻近层瓦斯涌出量会达到很高的数值,所以抽放邻近层瓦斯历来是不少矿井采用的重要抽放方式。有些矿井采用顶板岩石巷道抽放邻近层瓦斯,取得很好的抽放效果。但岩石巷道的掘进费用较大,工期长。如能采用岩石长钻孔代替抽放巷道,则会降低抽放成本，加快工程速度而提高抽放效率。为此,在七星煤矿东四采区十二层四片工作面进行了岩石水平长钻孔抽放邻近层瓦斯的试验。

1.1钻孔布置

合理的钻孔布置层位是长钻孔抽放瓦斯成败的关键。合理层位的确定需主要考虑2个因素:1钻孔必须布置在裂隙带内,最好能位于其中上部位,不可太低或太高,以保证一定的瓦斯浓度和抽放量,又可避免钻孔因岩层的剧烈移动而遭切断、破坏导致抽放失败。采空区上方裂隙带的高度一般为采高的10~30倍。布孔层位的岩层性质应尽量选择中硬岩层,避免钻孔布置在穿过泥岩、页岩、煤层等软弱岩层,这样可减少因垮孔而导致的孔底事故。通过对七星矿东四采区十二层四片工作面上覆岩层进行的有限元法分析和现场观测成果,结合岩层性质的考虑,本次试验把钻孔的合理布孔层位设计在开采层上方27m处的白色中砂岩中。

钻孔在煤层倾向方向的布置,根据/O0形圈理论和采场通风因素对瓦斯流动的影响,结合煤层倾角,一般布置在距回风巷012~013倍工作面长处比较适宜。四片工作面倾斜长210m,设计有2个长钻孔,其中一个孔底距回风巷45m,另一个距回风巷70m。钻孔设计长度分别为508m和600M。

1.2钻机、具及钻孔施工工艺

采用煤炭科学研究总院西安分院最新研制的ＺＤＹ-8000Ｓ型强力钻机钻进,钻机设计能力为800m,满足四片工作面的钻孔设计要求。钻头采用胎体式复合片钻头,钻杆使用特制的有足够强度的?89mm外平钻杆,可使测斜仪顺利通过钻杆。采用普通回转不取芯钻进法和二次成孔工艺,即先用与钻杆直径接近的?94mm或?113mm导向钻头钻进导向钻孔,再进行二次扩孔,这样有利于钻孔轨迹的控制。为控制钻孔方向,采用了CQ-1型磁定球向测斜仪和ZJS-1型钻孔监测系统测斜仪作为钻孔单点和全孔测量,并采用稳定组合钻具,通过改变稳定器的数量和安装位置,改变钻头在孔内的受力情况,使钻头上仰、下倾和基本保持原方向不变。钻孔设计孔径为?200mm,实际施工为3级结构。

1.3保直钻进工艺

为达到增加煤岩孔段长度比,提高单孔瓦斯抽放效率,节约施工成本的目的,施工过程中应尽量减少岩石孔段的施工长度,因此开孔钻进后采取保直组合钻具钻进,一直钻进到造斜点再更换强造斜组合钻具钻进。保直组合钻具的工作机理是根据钻进工艺中/满、刚、直的要求,在钻头后等间距布置比钻头直径略小的扶正器,使钻头在钻进过程中不对或很少对孔壁产生切削作用,以达到使钻孔轨迹沿原方向延伸的目的。在试验孔见矿前的黏土、亚黏土的钻进中,该钻具取得了良好的保直效果。

1.4强造斜钻进工艺

钻孔的强造斜钻进主要是通过使用强造斜组合钻具以及配合合适的钻进工艺参数来实现的。强造斜组合钻具由扶正器、小钻杆和钻头组成。其基本作用原理就是在钻头的后面接一个近2m的细钻杆,然后再通过扶正器和常规钻具相连接,这样在钻进过程中增加前面钻头的自由度,充分发挥其自重的作用,使钻头切削钻孔下侧孔壁的岩石,使钻孔轨迹下斜。在整个钻具结构中,选择细钻杆的直径是一个关键问题。因为在钻进过程中钻孔内的全部钻杆,细钻杆是最容易发生折断的部分。如果细钻杆的直径选择的太小,则容易断钻发生孔内事故;但选择的太大,又达不到调整钻孔轨迹的目的。

均压、中等转速和大泵量的钻进工艺参数。采用中等钻压、大泵量的钻进工艺参数,可保持孔内排碴干净,避免岩煤屑对钻具的托举作用,使钻孔轨迹下斜;采取中等转速的钻进工艺参数,可减少离心效应对钻具的影响,有效避免孔内事故的发生。使用以上钻进工艺参数钻进2~3m后,造斜孔段已有明显下斜趋势,此时可适当调大钻压,增加钻具的弯曲及达到钻孔的弯曲强度。

通过在抽放瓦斯穿层孔的施工中使用强造斜组合钻具,得到2点经验:1同样长度的造斜进尺,采用/造斜钻进、常规钻进、造斜钻进、和多次造斜钻进的方法,比采用一次造斜的方法造斜效果好、安全性高;造斜点选在煤层底板的泥质砂岩中,虽然延长了岩石孔段长度,但相对来说,钻孔煤岩孔段长度比增加得更多,因此钻孔的瓦斯抽放效果更好

2施工技术

2.1组合钻具

常规组合钻具由钻头、扶正器和短钻杆组成。利用扶正器连接不同直径、长度的钻杆,使钻头后所接钻杆产生向上或向下的微弱挠曲变形,在钻压作用下在钻头上产生顺时针或逆时针转角,钻进过程中表现为钻头切削方向的变化,从而使钻孔轨迹上仰、下斜或基本保持原方向不变,因此组合钻具可分为上斜、保直及下斜组合钻具。在组合钻具中起决定性作用的是前2个扶正器的排列位置,其它几个扶正器则主要用于平衡来自后部钻杆的弯曲力矩。

2.2常规组合

钻具的造斜强度一般不超过0.2°/m,需要向下强造斜时可使用细钻杆(或活接头)组合钻具。细钻杆(或活接头)组合钻具由稳定器、细钻杆(或活接头)和钻头组成。其作用原理就是在钻进过程中增加钻头的自由度,发挥其自重的作用,使钻头切削钻孔下侧孔壁,使钻孔轨迹下斜,而钻压的变化可增加或减小这种弯曲。试验证明,在煤系地层造斜钻进其平均弯曲强度可达到1.08°/m。用于抽放瓦斯定向钻孔的施工,强造斜技术一般用于弯曲孔的钻进,而目前施工的弯曲孔均需向下强造斜,因此向上强造斜技术目前尚缺乏研究。

2.3钻进工艺参数

钻进工艺参数主要是指钻压、转速和冲洗液量,三者在一定条件下相互影响,其中尤以钻压和转速对钻孔轨迹的影响更为明显。

在近水平孔钻进过程中,钻压不仅起保证钻头切削刃切入岩石和矿层的作用,而且在使用组合钻具时,钻压的大小还决定着靠近钻头部分钻杆弯曲强度的大小,从而影响钻孔轨迹的变化。在钻进中硬以下地层时,大钻压会导致钻头切削的颗粒较大,在孔内容易形成堆积,钻具在堆积物的支撑作用下使钻头切削钻孔上侧,因而使钻孔轨迹上斜。转速从2个方面影响钻孔轨迹的变化:一是转速的变化改变单位时间内钻头切削孔底或孔壁岩石的次数,影响岩(煤)屑颗粒粒径的大小,从而通过形成岩(煤)屑桥概率的大小来影响钻孔轨迹的变化;二是通过转速所产生的离心效应影响组合钻具的受力,影响钻孔轨迹的变化。

结束语：

钻头、扶正器、钻杆结构形式及优化钻具组合是保证钻孔定向施工、防止塌孔、提高钻进率的关键。采用定向钻进技术在七星矿东四采区四片采面的试验中,钻孔成孔深度明显增加,取得良好的瓦斯抽放效果。该技术应用于抽放瓦斯钻孔的施工,是提高瓦斯抽放效率、降低施工成本、提高施工工期，确保煤矿安全高效生产的有效途径之一。钻孔坍塌问题是目前长钻孔施工中一个共性的棘手的问题,有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]张福涛.松软煤层穿层孔挠性钻具强造斜机理与过程研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程).2017(10)