青龙煤矿风动定向钻机瓦斯区域消突应用与研究

詹相卫 代茂

兖矿贵州能化有限公司青龙煤矿 贵州毕节 5515 07

摘要：应用定向钻机进行本煤层条带区域瓦斯治理模式已经是突出矿井区域消突的一种新型应用技术措施，而风动定向钻进技术的应用，解决了松软煤层施工中易塌孔的技术难题。与传统煤与瓦斯突出矿井瓦斯治理模式相比，需要施工底抽巷，在采用穿层钻孔进行区域瓦斯治理或开采保护层，消突后方可开掘巷道。对矿井的接续及成本产生了比较严重的影响。随着定向钻机的应用，从时间及空间上对传统瓦斯治理模式产生了深远的影响，打破传统瓦斯治理模式。青龙煤矿21601运顺掘进工作面Y5点前15米-315米段完全就应用了风动定向钻机进行煤巷条带区域瓦斯治理，在迎头及左右两帮硐室施工7个长度300米的顺层钻孔进行煤层瓦斯抽采，抽采达标后，沿煤层掘进21601运顺工作面。在保证安全的条件下，有效地减少底抽巷的施工，对矿井的接续及成本降低产生了良好的效果。

关键词：定向钻机；定向顺层钻孔；瓦斯抽采；区域消突

Application and Research on Gas Elimination of Aerodynamic Directional Drilling Rig in Qinglong Coal Mine

Zhan Xiangwei Dai Mao

(Yankuang Guizhou Nenghua Co., Ltd. Qinglong Coal Mine, Guizhou Bijie 551507)

Abstract: the application of directional drilling rig to the gas treatment mode in this coal seam strip area is already a new type of technical measures to eliminate outburst in the outburst mine area. Compared with the traditional coal and gas outburst mine gas treatment mode, it is necessary to construct the bottom drainage roadway, and only after the outburst is eliminated can the roadway be excavated by using the through-layer drilling for regional gas treatment or mining protective layer. It has a serious impact on the continuity and cost of the mine. With the application of directional drilling rig, it has a profound influence on the traditional gas control mode in time and space, breaking the traditional tile The governance model. A wind-driven directional drilling rig was used to control the gas in the zone of coal roadway at 15m-315m before the Y5 point in the 21601 Yunshun tunneling face of Qinglong Coal Mine. Under the condition of ensuring safety, the construction of bottom-pulling roadway is effectively reduced, which has good effect on the connection and cost reduction of mine.

Keywords: directional drilling rig; directional bedding drilling; gas drainage; regional outburst elimination;

引言

青龙煤矿是贵州省内典型大型矿井，属于近距离煤层群开采，煤层赋存地质条件复杂，具有瓦斯含量高（12.16～19.88 m³/t）、瓦斯压力大、煤层碎软破碎、煤层薄、稳定性差、透气性差等特点。2016年开始引进定向钻进技术与装备进行瓦斯治理，积累了丰富的定向钻进技术经验，瓦斯治理在国内处于先进水平，是我国西南地区率先引进和应用定向钻进技术的矿井。

21601运顺Y5点前15-315米采用风动定向钻机施工顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯进行区域消突，打破煤巷条带瓦斯的治理传统模式。巷道掘进过程中，校检、考察指标及掘进期间瓦斯涌出量显示瓦斯治理效果较好。验证了采用定向钻机顺层钻孔抽采煤层瓦斯的效果及可行性，能够保证矿井的安全生产。

1 21601运顺工作面概况

21601运顺设计长度1151.78m，服务年限：2年。该工作面位于一采区下部东北翼，东南临11615工作面（已回采），西南临皮带下山保护煤柱及皮带下山。该工作面所采煤层为二叠系上统龙潭组16煤，厚度1.4～3.0m，平均厚2.6m，煤层稳定，结构相对复杂，亮～半亮型，条带状结构，粉粒状～块状构造。煤层中下部含1～3层泥岩夹矸（厚0.2～0.6m），Z6-3钻孔附近16煤厚度较小（约为1.4m），区域大部分煤层厚度在2.0m以上。21601工作面埋深为130～275m，从瓦斯地质图资料分析知，该区域16煤层瓦斯含量为10.90～14.53m³/t，属高瓦斯区；瓦斯含量从北向南逐渐减小。

2 21601运顺定向钻孔设计

21601运顺第一循环风动定向顺层钻孔设计7个，设计长度为300米，具体参数如下：

第一循环钻孔设计参数

钻场	孔号	开孔方位(°)	开孔倾角(°)	工程量(m)	扩孔深度（m）	封孔长度（m）	备注：
21601运顺迎头钻场	1#	32	0	300	15	15
	2#	40	0	300	15	15
	3#	42	0	300	15	15
	4#	48.49	0	300	15	15
	5#	54	0	300	15	15
	6#	59	0	300	15	15
	7#	64	0	300	15	15
合计(m)				2100	105	105

说明：钻孔设计终孔孔径108mm，钻孔控制巷道两帮20m范围，抽采半径为3.5m，预计抽采时间为3个月；注水泥浆封孔，水泥浆凝固时间不得小于24小时。

3 21601运顺实钻：

第一循环施工过程中实际施工钻孔8个（5个正孔，3个补孔），其中2#主孔最长孔深384米，共计总进尺4425米。

风动第一循环钻孔竣工工程量统计

钻场	孔号	工程量(m)	备 注	孔号	工程量(m)	备 注
21601运顺迎头钻场	1#	390	2个分支	B4#	540	4个分支
	B1#	198	2个分支	B5#	753	6个分支
	2#	591	2个分支	6#	849	7个分支
	3#	543	6个分支	7#	561	4个分支
	总合计进尺			4425米

实钻图如下：

4 21601运顺钻孔抽采情况：

21601运顺钻孔施工首先施工4#孔，开始连抽时间是2018年9月14日，1#孔最后施工结束时间是11月10日。每个钻孔从连抽之日起进行人工测流统计至2019年2月14日抽采瓦斯量如下表：

井下千米钻机钻场抽采情况统计表
地点：21601运顺 测流统计时间：2019.02.14
序号	孔号	孔深 （m）	连抽时间	负压（kPa）	浓度 （%）	混合量（m3/min）	纯量（m3/min）	日累计抽采量（m3）	周累计抽采量（m3）	年累计抽采量（m3）
1	3#	300	2018.10.10	22	72.5	0.46	0.33	480	3362	68717
2	B4#	286	2018.9.14	22	13.2	0.65	0.09	124	865	24299
3	B5#	300	2018.10.10	21.8	25.6	0.5	0.13	184	1290	36694
4	6#	306	2018.10.23	21.5	60.5	0.32	0.19	279	1951	41831
5	7#	306	2018.10.23	21.8	52.6	0.13	0.07	98	689	45461
6	1#	120	2018.11.10	21.8	68.4	0.35	0.24	345	2413	34252
7	2#	384	2018.11.10	21.8	61.2	0.28	0.17	247	1727	31571
8	B1#	300	2018.11.27	21.5	58.5	0.52	0.30	438	3066	35537
合计				22.5	46.8	3.2	1.50	2157	15096	354279

21601运顺在钻孔施工过程中，取样原始煤体瓦斯含量最大值为9.8m³/t，根据流量、抽采后煤层瓦斯含量降至7.m³/t以下，计算出抽采46天即可达标（小于90天）。钻孔刚开始连抽时，单孔最大抽采纯量达到3.1m³/min,，单孔平均抽采纯量值都大于1.4m³/min，抽采效果比普钻效果提高约12倍以上。抽采效果明显，抽采3个月后校检煤体瓦斯含量降至最大值4.7m³/t。^[1]

5 风动定向钻进施工工艺

风动定向钻进工艺主要是运用空压机高压空气+定向钻机+测量系统++通缆钻杆+组合钻具进行施工，采用空气压力差驱动马达旋转，通过传动轴带动钻头进行切屑破碎煤体，风排出钻屑。钻杆不旋转实现定向钻进，通过测量系统实时测定钻孔轨迹，移变通过调整工具面实现对钻孔轨迹的控制。确保钻孔按照设计靶定的轨迹施工。采用空气动力施工工艺与采用高压冲洗液驱动马达的施工工艺相比较，风动定向钻进解决了松软煤层易塌孔煤层施工难题。使钻孔成孔及抽采效果更佳。青龙煤矿成为在全国首家应用风动定向钻进试验成功的单位。^[2]

6 结论：综上所述，采用风动定向钻机进行顺层钻孔区域防突措施是可行的。一是从经济效益角度，减少底抽巷施工，降低了煤矿的成本，以21601运顺为例就节约施工底抽巷的投入1500万左右；二是从时间空间上，矿井的接续可以提前1年多形成工作面。三是瓦斯治理效果明显，巷道掘进过程中，局部校检指标均小于临界值，瓦斯涌出量较小，T1、T2数值割煤期间小于0.3%。四是瓦斯抽采量及浓度较大，保证了矿井的瓦斯发电厂的运行，发电量70万度左右，上述一循环钻孔瓦斯抽采创造了28万元的经济效益。五是解决松软煤层施工过程中，容易塌孔，成孔率低等问题。六是验证了定向顺层钻孔作为煤巷条带区域防突措施是可行的，为煤矿的安全高效生产开辟出一条新道路。

参考文献：

[1]薛海腾 李希建 梁道富 陈刘瑜 马晟翔.长距离定向钻孔瓦斯抽采技术在青龙煤矿的应用.工矿自动化2020年2月

[2]李泉新 方俊 褚志伟 刘飞.青龙煤矿碎软煤层顺层定向钻孔钻机试验研究.工矿自动化，2018，44（11）：1-6