摘要：新田煤矿目前正在进行1901采面布置，为提高1901运输顺槽瓦斯治理效果，彻底解决瓦斯治理周期过长、评价效果差影响掘进进度的问题，通过引进使用中煤科工西安研究院研制的ZDY-6000LD（B）型千米定向钻机，在1901运输顺槽里程344m和349m处布置钻场施工条带预抽煤层瓦斯钻孔，掩护巷道掘进，并取得了良好的成效，为迎头掘进安全有效生产奠定了基础。
关键词：瓦斯治理；条带预抽；定向钻机；安全有效
1 矿井及1901工作面概况
1.1 井田范围情况
新田井田位于黔西县城北东部，属甘棠镇管辖。区内无铁路及水路，交通以公路为主。《贵州省黔西县新田井田煤炭勘探报告》中探矿权范围的地理坐标为：东经106°02′30″－106°07′30″，北纬27°05′00″－27°09′00″。矿区东西长约8公里，南北宽约4.6公里，面积35.87km²[1]。矿井一期采矿区域由16个拐点圈定，开采深度由+1463m至+840m标高，矿区面积11.3805km²。
1.2 煤层及瓦斯参数情况
1.2.1 9#煤层地质情况
9号煤层位于龙潭组上段下部，煤层厚1.36-4.66m，平均2.41m，全区可采，属较稳定偏稳定型煤层。煤芯呈柱状或碎块状。结构较简单，含夹矸0-2层，一般0-1层，夹矸为泥岩、炭质泥岩，厚度0.05-0.37m。煤层顶板多为泥质粉砂岩，局部为泥岩，个别点为粉砂岩；底板为泥岩，富含植物根部化石[2]。
1.2.2 煤层瓦斯赋存情况
由中煤科工集团重庆研究院和沈阳研究院提供的《新田煤矿4#、9#煤层瓦斯基本参数测定及煤层突出危险性鉴定报告》，得知9#煤层具有煤与瓦斯突出危险性，矿井属于煤与瓦斯突出矿井，9#煤层测试最大瓦斯压力为2.94MPa。其测定煤层参数见表1。
表1 新田煤矿9#煤层实测瓦斯压力等参数表
Table 1 parameters such as measured gas pressure in coal seam no.9 of xintian coal mine
1.3 1901工作面概况
1901工作面为新田煤矿开采9#煤层所布置的首个工作面，1901运输顺槽巷道沿煤层倾向布置，北翼为1901回风顺槽，南翼为未开采的1902工作面，上部为正在回采的1402综采工作面；风流经副斜井→1404联络巷→1901运输迎头→1901运输→1901专回→南翼回风大巷→回风斜井→地面。
该巷道支护方式为：锚网+W钢带大托盘+锚索支护。巷道方位角305º，设计为梯形巷道，净宽为4.2m，净高为3.6m，净断面13.22m²。
2 定向钻机设备及工艺介绍
2.1 定向钻进技术简介
定向钻进是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。
钻探工程中，各类钻孔的特征通常是在空间用一条线来描述，此线代表钻孔轴线，是钻孔轴线的轨迹线，把表征钻孔空间形态的轨迹线称之为钻孔轴线。钻孔轴线的空间形态用轴线上的一些参数来表征。定向钻孔轴线的空间要素包括：钻孔轴线上各点的倾角、磁方位角和孔深，钻孔垂深、水平位移和左右偏差，以及曲线段的曲率或弯曲强度等[3]。
根据钻孔轨迹的基本要素，将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一小段钻孔轴线看作为直线或曲线进行叠加计算，利用一定的计算方法，即可求出轨迹上每一点的空间坐标。
2.2 定向钻进设备
2.2.1 钻机
ZDY-6000LD（B）是集成主机、泵站、操作台、防爆笔记本、流量计、急停开关等一体的定向钻机。适于孔底马达定向钻进和孔口回转钻进等多种施工工艺。该钻机具有结构合理、技术性能先进、钻场适应能力强、操作省力、安全可靠、运输方便等优点[4]。主要适用于煤矿井下地质勘探孔、瓦斯抽采孔、探放水孔的施工。
2.2.2 钻具
钻具有钻杆、螺杆马达、通缆式送水器
（一）钻杆
按照需要的钻进工艺配套并使用了Ф73mm中心通缆钻杆和无磁钻杆两类钻杆。
（1）Ф73mm中心通缆钻杆
该钻杆具有以下特点：
①钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊与钻杆相连，钻杆外径为73mm，内径为64 mm，结合施工工艺特点，通缆钻杆的长度为3m。
②在测量钻孔轨迹的过程中，通缆钻杆与YHD2-1000（A）随钻测量装置和YHD5-1000地质导向随钻测量装置配合使用能够实现孔底钻孔参数的即时随钻测量。
③该钻杆刚性好、抗弯扭能力强，该钻杆设计强度既可满足螺杆马达钻进要求又可满足孔口动力回转钻进要求。
（2）无磁钻杆
该钻杆与通缆钻杆外径一致，为73mm[5]。长度和结构根据使用的随钻测量装置确定，主要用于测量探管的仪器外管及为测量仪器提供一个无磁干扰的环境，以避免普通钢性钻杆对测量方位角造成的干扰，保证测量数据准确。
(二) 螺杆马达
采用的螺杆马达主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成[6]。
采用螺杆马达进行钻进时，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出的冲洗液经通缆钻杆进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。这样减少了钻杆与孔壁的摩擦阻力，因而在较小动力损失的情况下就能达到较大的钻进能力。螺杆马达主要技术参数如表2。
表2 螺杆马达主要技术参数表
Table 2 main technical parameters of screw motor
（三）通缆式送水器
在定向钻进过程中，通缆式送水器有三方面的作用：
（1）输送高压水，驱动螺杆钻具转子旋转，带动钻头转动，完成钻孔作业；
（2）向孔口监视器传输孔底测斜单元的输出信号，方便施工人员随时掌握钻具姿态；
（3）在回转钻进过程中，向孔底输送冲洗介质，便于孔内煤粉和岩粉的排出，同时能冷却钻头的作用。因此，通缆式送水器在结构设计过程中，既要考虑其能够灵活转动和耐高压，也要保障信号的正常传输。
2.2.3 YHD2-1000（A）随钻测量装置
YHD2-1000（A）随钻测量装置，装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器和探管等四部分组成。
工作原理：在采用螺杆马达钻进过程中，将探管连接在螺杆马达后面，在钻进过程中进行数据测量时，防爆计算机通过通缆钻杆和通缆水便向孔内探管供电并下工作指令，探管启动工作并采集钻孔倾角、方位角、工具面向角等数据通过通缆钻杆和水便传送到防爆计算机，通过装置软件的分析处理，在防爆计算机显示器上显示钻孔参数、设计轨迹、实钻轨迹等信息，通过系统软件实现装置分析、数据处理、数据测量并以数字量形式进行显示、存贮、处理分析成图等功能。数据测量结束后，防爆计算机停止为孔内探管供电，探管停止工作[7]。
3 施工工艺及流程
3.1钻孔孔身结构设计
孔身采用二级结构，二级结构有一级裸孔和二级套管，裸孔采用94mm直径，扩孔分别采用153mm孔径和250mm孔径，下入159mm套管，最后施工直径98mm定向钻孔。
3.2定向钻孔设计
设计在1901运输顺槽里程344米和349米处布置巷道左右钻场施工条带预抽煤层瓦斯钻孔，掩护巷道掘进。考虑到钻机外形尺寸和便于施工人员站位，钻场布置为长9米、宽5米、高3米；根据《煤矿瓦斯有效抽放半径的测定方法》结合新田煤矿1901运输顺槽条带瓦斯治理中瓦斯赋存量，瓦斯抽放半径为2.5米设计钻孔；本次设计在两钻场内共布置8个主钻孔，设计终孔间距为5-9米，如图1。
图1 1901运输顺槽掘进巷道瓦斯治理定向钻孔设计平面图
FIG.1 1901 directional borehole design plan for gas control in transportation gateway tunneling roadway
3.3 施工流程
3.3.1 扩孔
1.回转钻进21m，钻具组合：Φ94mm钻头+Φ73mm通缆钻杆；
2.回转一级扩孔21m，钻具组合：Φ153mm扩孔钻头+Φ73mm通缆钻杆；
3.回转二级扩孔21m，钻具组合：Φ250mm扩孔钻头+Φ73mm通缆钻杆；
4.下入Φ159mm套管至21m，固管。封孔深度由实际情况而定，如煤的坚固系数、赋存条件、设计孔深、瓦斯赋存压力综合因素而定。本次封孔深度均为21米，一般大于10米为宜。
3.3.2 定向钻进
钻具组合：Φ98mm钻头+Φ73mm/1.25°螺杆马达+Φ73mm下无磁钻杆+Φ73mm探管外管+Φ73mm上无磁钻杆+Φ73mm通缆钻杆+Φ73mm通缆水便。
由于9#煤层未揭露，煤层走势不够准确，在施工第一个条带钻孔时，需先利用“前进式”开分支技术进行煤层的探顶工作。为了更精确的找准煤层走势，在正常定向钻进时，每施工3米需对孔底进行一次测定，由测定的参数及现场地质情况预判煤层走势，为下一个定向孔施工提供有效数据，从而根据调校左右位移、上下位移、工具面就能按照设计轨迹和要求施工。
4 施工成效
定向钻机在1901运输顺槽迎头两钻场内共施工完毕8个主定向钻孔，其中分支孔施工14个，累计进尺3354m，钻遇平均煤层率74.58%，最大孔深459m，创造了西南地区本煤层钻孔孔深记录。目前1901运顺工作面月瓦斯抽采纯量302520.96m³，日抽采纯量最大13149.11m³，其中单孔抽采浓度最高达93.3%，见表4和图2。
表4 1901运输顺槽定向钻孔实钻参数表
Table 4 drilling parameters of directional drilling in transportation gateway
图2 1901运输顺槽定向钻孔实钻轨迹平面图
FIG.2 track plan of directional drilling in transportation gateway
5 应用总结
（1）由西安研究院研制的ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道定向钻机及其配套设备在新田煤矿9#煤层施工定向钻孔预抽煤层瓦斯是可行的。
（2）由于9#煤层走势变化大，利用定向钻进钻孔轨迹可控、侧钻开分支的特点，可提高钻孔煤层钻遇率，减少瓦斯治理空白带。
（3）根据施工的8个定向钻孔，9#煤层顶底板均为泥质粉砂岩，由于顶板煤较坚硬，底板煤较松，且底板煤中含有一层至两层夹矸，在钻进过程中遇水易变软塌孔造成憋泵现象，因此沿着顶板煤钻进较为合理；从相关资料可知9#煤层瓦斯多为游离态，沿着顶板煤施工定向钻孔瓦斯抽放效果更佳。
（4）因9#煤层局部比较松软，在施工中排渣尤为重要，钻进速度要慢、稳，也可采用冲洗液加强煤层钻孔排渣，实现深孔快速高效成孔。
（5）针对9#煤层赋存不稳定、地质构造复杂、有断层带，在施工钻孔前要做地质分析，使其设计的定向钻孔轨迹更具准确性。
（6）通过本次施工的定向孔基本可以掌握到1901运输顺槽掘进工作面前段煤层地质情况，为后期巷道掘进提供有效的地质基础。
（7）从瓦斯抽放效果而言，定向钻机施工的钻孔抽放效果比普通钻机施工的钻孔抽放效果显著，且抽放量至少提高4倍。较大的缩短了瓦斯治理周期，为新田煤矿9#煤层开采奠定了基础。
参考文献：
[1]贵州省西能煤炭勘察开发有限公司.贵州省黔西县新田井田煤矿勘探地质报告[R].贵州 贵阳：贵州省西能煤炭勘察开发有限公司，2005.
[2]何明德，徐彬彬，等.贵州煤田地质[M].江苏 徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[3]煤炭科学研究总院西安研究院钻探技术与装备研发中心.定向钻进原理与应用[M].陕西 西安：煤炭科学研究总院西安研究院钻探技术与装备研发中心，2019.
[4]崔增祁，张文琰，陈文豹，等.煤矿井巷工程质量检验评定标准[M].北京：煤炭工业出版社，1994.
[5]煤炭科学研究总院北京建井研究所.井下动力钻具的研究与应用[J].北京：煤炭科学研究总院北京建井研究所，2014.
[6]田东庄，石智军，龚城，等.煤矿井下近水平定向钻进配套的研制[J].煤炭科学技术，201341（3）：24-27.
[7]赵金，陈绍安，刘水刚，等.高性能钻杆研究进展[J].石油矿场机械，2011，40（5）：102-109.
论文作者:邹敏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：钻孔论文; 钻杆论文; 煤层论文; 瓦斯论文; 新田论文; 钻机论文; 马达论文; 《基层建设》2019年第21期论文;