松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究_牛心刚.pdf

松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究*牛心刚1，徐瑞2，孙东玲1，张永将1，曹建军1，李健2（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯研究分院，重庆400037；2.淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北235000）摘要：针对松软煤层顺煤层定向瓦斯治理钻孔打不深、打不准、成孔率低的难题，详细分析了现有顺层定向钻进的技术瓶颈，创新尝试使用了底板定向梳状条带消突钻孔，突破了主孔快速开分支、分支孔水力下筛管护孔等技术难题，并选取杨柳煤矿1077中段机巷进行现场试验，在煤层坚固性系数为0.46的松软层中，共完成总进尺8 494 m，实验效果达到设计要求。现场试验表明，底板定向梳状条带消突钻孔有效缓解了采掘接替紧张局面，提高了矿井钻孔施工及瓦斯治理技术水平，为松软煤层定向瓦斯治理钻孔施工提供了新的技术思路。关键词：松软煤层；顺层定向钻进；瓦斯治理；筛管护孔中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 047 04Application Test Research of Bedding Directional Drilling Technologyin Soft Coal Seam in Yangliu MineNIU Xingang1,XU Rui2,SUN Dongling1,ZHANG Yongjiang1,CAO Jianjun1,LI Jian2(1.Gas Research Branch,China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing400037,China;2.Huaibei Mining Co.,Ltd.,Huaibei 235000,China)Abstract：Aiming at the problems of inadequate drilling,inaccurate drilling,and low hole formationrate for directional gas control in soft coal seams,the technical bottleneck of the existing beddingdirectional drilling was analyzed in detail,and an innovative attempt was made to use the floordirectional comb strip to eliminate bursting holes broke through the technical problems such as rapidbranching of the main hole and hydraulic screen protection of the branch holes.The mechanicalroadway in the middle section of Yangliu coal mine 1077 was selected for on-site testing.The resultswere completed in a soft layer with a coal seam firmness coefficient of 0.46.The total footage is 8 494 m,and the experimental results meet the design requirements.Field tests have shown that the directionalcomb-shaped strip outburst-eliminating drilling on the floor effectively alleviates the tension of miningreplacement,improves the technical level of mine drilling and gas control,and provides a new technicalidea for the drilling of directional gas control in soft coal seams.Key words:soft coal seam;bedding directional drilling;gas treatment;screen pipe protection第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0110引言众所周知，煤炭在我国一次能源生产和消费中的比重一直占据主导地位，近年来虽然瓦斯灾害事故起数和死亡人数一直呈下降趋势，但较大以上煤矿事故中瓦斯灾害的事故起数和死亡人数所占比例仍较高。防治瓦斯事故最根本的方法就是将瓦斯从煤层中抽采出来，但由于我国煤矿区煤层赋存条件差距较大，尤其在两淮、贵州、豫西、阳泉等地煤层赋存普遍具有松软、低透、含量高等特征，对该类煤层的瓦斯抽采钻孔施工技术一直是亟待攻克的关键技术难题，严重制约该类煤层的瓦斯安全高效治理，顺层钻孔施工长度短、成孔维护难，而穿层钻孔抽采成本高、效率低，均难以适应当前煤矿安全高产高效的技术要求。随着近年来定向钻进技术的不断成熟，已成为当前瓦斯高效抽采的重要技术方向，多家科研单位相继试验了异形钻杆排渣钻进、气动钻进、泡沫钻进等多种施工工艺，但受困于松软煤层易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内事故均未取得成功。综合以上存在的问题，本文将结合气动定向钻进技术和液动定向钻进技术的优点，采用定向钻孔进行瓦斯抽采，并以杨柳煤矿为试验矿井开展了相关现场实验研究，实现了松软煤层钻进轨迹可控无盲区、顺煤层段分支孔成孔率高、护孔效果好、延伸距离长的目的，进而达到了松软煤层瓦斯高效治理的目的，本技术可为同类条件矿井提供重要的参考*天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（2021-2-TD-ZD008）；国家重点实验室开放基金项目（SKLMRDPC20KF01）47借鉴作用。1杨柳煤矿概况1.1试验矿井基本情况杨柳煤矿位于安徽省濉溪县境内，采用立井水平大巷开拓方式，一水平标高为-569 m，井田地表为平原，标高在+27m左右，矿井设计生产能力为1.8Mt/a，矿井可采煤层自上而下分别为31、32、51、72、81、82、10煤层，其中82、10煤层为主采煤层。10煤层赋存稳定，储量丰富，煤厚一般在24.2 m，平均煤厚3.05 m；82煤层结构较简单，煤厚03.99 m，平均1.63 m。矿井于2011年12月底投产以来，一直仅开采10煤层。本次试验选择位于井田北部的107采区1077工作面机巷中段条带区域，在107采区实测10煤层最大瓦斯压力为2.65 MPa，最大瓦斯含量9.99 m3/t。该区域煤厚1.45.74 m，平均3.5 m，属中厚-厚煤层，以中厚煤层为主，在机巷方向上整体呈上山趋势，倾角011，平均7。煤层顶板以砂岩、泥岩为主，底板以粉砂岩、细砂岩为主。1.2杨柳煤矿当前瓦斯预抽方式矿井选取10煤层作为8煤层下保护层开采，在保护层10煤层的非突出危险区和突出危险区执行的煤巷掘进、回采工作面的抽采措施均不相同。非突出危险区煤巷掘进采用超前探查排放钻孔掩护，同时执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取超前排放钻孔等局部防突措施。突出危险区煤巷掘进采用底板穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯防突措施，掘进时采取工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限采取超前排放钻孔等局部防突措施；突出危险区揭煤巷道在距10煤层法距7 m位置前施工穿层预抽钻孔，钻孔网格控制到揭煤巷道轮廓线两侧12 m、法距5 m内的10煤层，经预抽效果评判合格后，方可进行揭煤作业程序。非突出危险区采煤工作面采用由机巷、风巷向工作面施工顺层钻孔预抽，同时执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取排放钻孔等局部防突措施。突出危险区采煤工作面采用由机巷、风巷向工作面施工顺层钻孔，顺层孔未施工到的盲区利用底板穿层孔补充的预抽方式。区域措施效果检验有效后，工作面回采过程中仍执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取排放钻孔等局部防突措施。以上突出危险区煤巷条带和采煤工作面的预抽手段虽然能够确保煤巷掘进和工作面回采安全，但是瓦斯治理工程量太大、全流程治理成本太高、抽采周期太久，严重制约了矿井高产高效生产。2试验区钻孔设计及施工情况2.1钻孔设计情况试验区域利用1077里段机抽巷钻场（距煤层法距20 m）施工1077机巷中段条带顺层定向钻孔，钻孔分2段施工，第1段（即上部孔组）设计7个钻孔，中间孔沿巷道中线布置，两侧各布置3个钻孔，孔间距6 m，控制巷道两帮轮廓线外15 m，钻孔设计100 m左右进入煤层后顺煤层施工，设计终孔深度200 m；第2段（即上部孔组）亦设计7个钻孔，中间孔沿巷道中线布置，两侧各布置3个钻孔，孔间距6 m，控制巷道两帮轮廓线外15 m，钻孔设计190200 m（与第1段钻孔压茬）进入煤层后顺煤层施工，设计终孔深度520 m左右（无法1次施工到位时在岩石段开分支继续压茬顺层施工）。钻孔设计平、剖面图如图1、图2所示。图1钻孔设计平面图图2钻孔设计剖面图2.2钻孔施工情况1077机巷中段条带顺层定向钻孔工程于2020年3月上旬开钻，到2020年10月下旬工程竣工，共施工14个定向钻孔，最大孔深561 m，总进尺8 494 m。第1段（即上部孔组）共施工钻孔7个，总进尺1 400 m，钻孔100 m左右见煤，顺煤层施工至200 m左右终孔，岩孔段采用液动定向钻进，见煤后换用气动定向钻进沿煤层施工，穿煤后提钻。第2段（即下部孔组）共计施工钻孔7个，总进尺7 094 m，最大孔深561 m，钻孔主要采用底板梳状钻孔的方式进行定向钻进施工，即通过在成孔性好的底板岩层采用液动定向钻进，见煤后换用气动定向钻进沿煤层施工，穿煤后提钻再利用定向开分支技术，每间隔一定距离，从岩孔段向煤层中分段施工梳状分支孔顺煤层施工。钻孔竣工平、剖面图如图3、图4所示。图3钻孔竣工平面图松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究牛心刚，等第42卷第02期Vol.42 No.021077里段机抽巷-550-540-530-520-510-500-4901077风巷1077设计机巷上部孔组设计孔深200 m下部孔组设计孔深400 m上部孔组设计见煤点96 m下部孔组设计见煤点180 m下部孔组设计分支点1077里段机抽巷-480-500-520-540-560-580标高/m1077里段机抽巷-550-540-530-520-510-500-4901077风巷1077设计机巷48图4钻孔竣工剖面图（以其中1组上部孔、下部孔为例）2.3存在的问题及解决方法经本次试验发现顺层钻进技术存在的工艺技术难题：(1)首先本次试验尝试了液动马达钻进和气动马达钻进的工艺技术，结果表明：如果全孔段均采用液动马达定向钻进，在岩孔段效果较好，在煤孔段由于煤层较软，而液动马达震动大、用水量大对煤层破坏严重，钻进过程中产渣量太大，导致钻孔返渣困难容易抱死钻杆导致严重的孔内事故；如果全孔段均采用风动马达定向钻进，在煤孔段钻进效果较好，但由于风动马达螺杆强度低、稳定性差，在岩孔段钻进效率低、风动马达和钻杆事故率高。(2)顺煤层施工定向困难，钻孔见煤后倾角抬升快，分支孔顺煤层施工长度短，为达到设计深度大幅增加了分支孔数量，考虑到每次开分支需多次提续钻工序，极大增加了工人劳动强度、严重影响工期。(3)分支孔施工完成后，如不及时采取护孔措施，煤孔段易塌孔，严重影响后期瓦斯抽采效果。最终经反复试验摸索，总结出了适用杨柳煤矿1077中段机巷定向顺层钻进的工艺方法。在岩孔段使用液动螺杆马达施工，并控制见