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精准定向钻进“以孔减巷”技术的实践应用慕乐（山西锦兴能源有限公司同肖家洼煤矿探放水队，山西吕梁0 3 53 0 0）摘要：肖家洼煤矿瓦斯灾害治理存在工程量大、工期长、抽采效率低等问题。针对这一情况，以该矿2 2 13 0 1工作面为研究对象,实施精准定向钻进“以孔减巷”技术治理瓦斯灾害,对技术方案、定向钻进设备及施工情况分析阐述。结果表明：精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理技术提高了瓦斯治理效率和抽采效果，消除了掘进工作面煤与瓦斯突出现象，减少的底抽巷工程量达到3 0 0 0 m，创造经济效益1.3 1亿元。关键词：瓦斯治理；精准定向钻进；以孔减巷；瓦斯灾害治理；瓦斯抽采中图分类号：F406.3；T D 7 12文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)12-0 16 0-0 3当前，煤矿地质构造复杂、煤层埋藏深、构造应力大、瓦斯含量高，安全事故频发，导致了巨大的人员伤亡和财产损失。在我国煤矿的重大安全事故中，瓦斯安全事故占比达到4 4%，已成为制约煤矿安全发展的瓶颈。近年来，肖家洼煤矿瓦斯含量高、压力大、地质条件复杂等问题日益凸显，进一步加大了瓦斯治理及防突工作难度。突出矿井以往采用穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯等治理措施，传统瓦斯抽采方式对抽采工作面及采空区卸压瓦斯治理有一定效果，但具备一定的局限性，存在工程量大、耗费时间长、效率低下等问题,大幅增加了生产成本，会造成采掘接续紧张压力。随着螺杆马达结合随钻测量定向钻进技术的快速发展，定向钻进技术在煤矿瓦斯灾害治理中得到了广泛应用。基于以上分析，肖家洼煤矿提出了精准定向钻孔“以孔减巷 的瓦斯治理措施。1工程概况1.1 概况山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿位于山西省吕梁市兴县县城东南，隶属蔚汾镇及奥家湾乡，矿区距兴县县城10 km，。国道G203从矿区东部约50 km南北向通过；省道岢大公路从矿区西部约6 km处南北向通过；矿区西部约14 5km处的国道G201与神延铁路并行。肖家洼煤矿井田面积6 0.3 3 km，保有资源量10.3 1亿t，可采储量7.53 亿t，主要开采8 号、13 号煤层，以气煤和中弱黏煤为主，设计生产能力12 0 0 万ta。开拓方式为斜井开拓，生产工艺为综合机械化采煤，产品特点为低硫、高发热量，可作动力煤和炼焦配煤。肖家洼煤矿2 2 13 0 1工作面位于煤矿北三盘区右翼 2 ,西接北三回风巷,2 2 13 0 1材料顺槽长度10 9 8 m，221301回风巷长度12 3 6 m，切眼长度2 8 9 m，主要开采16013#煤层，煤层厚度4.8 7 7.53 m，平均厚度5.8 7 m，煤层倾角0 5,平均倾角3,煤层中含有1 2 层夹研，夹研多为炭质泥岩，次为泥岩，结构简单，煤层无爆炸危险性，属类不易自燃煤层。2 2 13 0 1材料顺槽标高-392-370m，方位角3 3 9，断面规格为净宽净高=4200mm3000mm，采用综合机械化掘进。2 2 13 0 1工作面确定采用2 2 13 0 5工作面底抽巷进行区域瓦斯治理，北三盘区13#煤层瓦斯最大含量7.15m/t。对矿井221301工作面多个地点进行实测，瓦斯最大含量6.98m/t,瓦斯最小含量0.113 m/t，瓦斯最大压力0.59MPa,瓦斯最小压力0.18 MPa。根据矿井地质资料可知，开采范围区域煤层坚固性系数为0.54 8 2,煤层透气性系数为0.9 2 6 m（MP a d），钻孔瓦斯流出量衰减系数为0.0 0 3 1d-,为可抽采工作面煤层。1.2提出精准定向钻进“以孔减巷”治理方案多年来，肖家洼煤矿致力于“科技兴安”这一重大课题，将创新作为矿井“一通三防”等重大灾害治理的重要途径,坚持因势而谋，应势而动，在防灾治灾领域中不断更新理念、创新实践。面对长期制约矿井发展的难题,该矿坚持以问题为导向，主动对标“以孔减巷 的先进理念，积极探寻破解之道 3 。针对2 2 13 0 1工作面特殊地质特点,该矿成立了课题攻关组,将创新被保护层瓦斯超前抽采技术、利用穿层钻孔替代瓦斯道抽采作为突破口，围绕有效利用超前压消除瓦斯超限及突出危险、打造安全高效低成本瓦斯超前治理新模式发起技术总攻。在这一背景下，以2 2 13 0 1工作面为研究对象，创新、完善并运用“以孔减巷”技术体系为核心的瓦斯超前治理新模式。2精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理技术2.1精准定向钻进技术原理定向钻进是采用造斜工具，调控钻进方向，沿着设计的钻孔轴线钻达预定目标层位的钻进方法。调控钻进方向以钻进自然弯曲规律为客观参量，人工采用多种造斜工具及技术规程进行实施，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，孔底随钻测量仪器实时监测钻孔参数，确定孔底螺杆马达的造斜方向，保证钻孔轨迹沿着预定方案延伸，进而实现精准的定向钻进 4 。2.2传统瓦斯灾害治理技术根据煤矿开采瓦斯灾害治理相关要求，结合矿井原瓦斯灾害治理技术路线，2 2 13 0 1工作面应采用“底抽巷+穿层钻孔”区域瓦斯治理模式。在该治理模式下2 2 13 0 1工作面需设计3 条底抽巷，底抽巷工程量达到4 4 3 0 m；需设计穿层钻孔3 550 个，使钻尺量达175000m。分析可知，在该瓦斯治理模式下，底抽巷工程量巨大、受煤层厚度影响、钻孔煤孔段短、钻孔利用率低，会造成2 2 13 0 1工作面瓦斯治理周期长、投人高、效果差，严重影响煤矿的安全开采 5。2.3项目技术方案及设计基于2 2 13 0 1工作面瓦斯含量高的特点，为有效消除煤层瓦斯突出，设计采取定向长钻孔预抽区段煤层瓦斯区域防突措施，全部钻孔在2 2 13 0 5工作面底抽巷施工，岩石主孔开定向分支施工。主孔布置在13#煤孔号分支孔编号B8-1B8-2B8-3B8B8-4B8-5B8-64540353025201510煤层底板50010203040500607080901001101201301401501601701801902002102202302402502602702802903003103203303403503603703803904002.5瓦斯抽采效果分析抽采1个月后浓度大于3 0%钻孔、抽采3 个月后浓度大2022年58 月，连续4 个月对定向钻孔抽采瓦斯于3 0%钻孔数量占比分别为9 7.5%、8 6.5%、9 0.5%。数据进行考察，监测结果表明：初抽浓度大于3 0%钻孔、这一结果表明，定向钻孔瓦斯抽采效果理想，2 2 13 0 1161层底板岩层内，钻孔向上开分支进人煤层中，煤孔段要覆盖2 2 13 0 1工作面整个回采区域及回采巷道两侧、外侧至少3 0 m。设计钻孔主孔投影长度14 5 4 3 5m，钻孔间距3 0 m，根据分支孔穿煤长度确定分支孔数量。共设计定向长钻孔4 9 个，钻进尺约4 6 50 0 ml61。O2.4定向钻进设备及施工情况221301工作面区段采用中国煤科重庆研究院自主研发的大直径定向钻孔钻机及配套技术。采用大型定向钻机、200mm钻头+127mm孔底马达+102mm钻杆的组合钻具一次性成孔，钻孔直径为2 0 0 mm。截至2 0 2 1年6 月，4 9 个定向钻孔全部施工完毕，总钻尺达4 6 6 0 0 m，单个钻孔时间为18 2 5d。定向钻孔采用封隔一体化封孔工艺,即在封孔段采用割缝方式进行辅助封孔，封孔深度4 8 m。施工人员需要结合设计要求，对钻机的开孔倾角和方位进行调整，使钻机稳固。在进行深度钻孔时，需要额外进行打地锚加固操作，回转开孔至少要钻进稳定岩层中15m，扩孔要达到153 mm。此外，要配套下人深度12 7 mm的套管,并对油井采取封孔注浆方式,在凝固4 8 h后对其展开耐压试验。B8号定向钻孔参数如表1所示，B8号定向钻孔轨迹如图1所示。表1B8号定向钻孔参数起始位置/m钻尺/m015268167122191230164113158188224控制边界线煤层顶板图1B8号定向钻孔轨迹示意图煤孔段长/m417449844045钻尺/m孔内情况98m见煤未过，孔深14 1m142m见煤，2 3 2 m见岩，孔深2 3 5m252m见煤,3 12 m见岩，孔深3 13 m310m见煤未过，孔深3 9 4 m221m见煤，2 7 0 m见岩，孔深2 7 1m352m见煤未过，孔深4 12 m钻孔轨迹腔制边界线工作面区段累计抽出瓦斯约6 8.4 万m3应用效果分析3.1经济效益分析221301工作面采用精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理方案后，2 2 13 0 5底抽巷施工长度仅需要150 0 m；在底抽巷敷设高负压直径315mm瓦斯抽放管3 0 0 0 m；瓦斯抽采管路拐弯、低洼、温度突变处及沿管路按2 6 0 m间距安排一套瓦斯抽采自动计量装置，敷设高负压直径200mm瓦斯抽采管150 0 m。综合计算可知,2 2 13 0 1工作面区段吨煤瓦斯治理费用约为51.7 3 元。对比采用传统“底抽巷+穿层钻孔”瓦斯治理方案,2 2 13 0 1工作面采用精准定向钻进“以孔减巷”的瓦斯治理技术一共可以减少长度达3 0 0 0 m的底抽巷施工工程量，可减少穿层钻孔的施工数量3 50 1个，减少钻孔钻尺量12 8 50 0 m。经计算，以上工程共节约施工作业费用约554 0 万元，产生了巨大的经济效益，3.2提高了地质探测精准性定向钻孔超前钻探可进行精准探煤，对探测大断层等特殊地质构造的走向、落差进行精确定位。在221301实施的定向钻孔，有效确定了13#煤层F1断层向东偏移4 0 6 0 m距离，2 2 13 0 5底抽巷可掩护221315、2 2 13 16 工作面，使已不具备回采价值的2 2 13 15工作面具备回采价值，测算后发现可以多采煤8.5万t，创效6 50 0 万元。定向钻孔超前钻探技术对类似井巷掘进精准定位具有借鉴意义。3.3实现工作面快速消突精准定向钻进“以孔减巷”技术具有抽采孔径大、抽采距离长、抽采面积广等优点，该技术在2 2 13 0 1工作面创出单孔钻进7 6 2 m的好成绩，本次共施工定向长钻孔4 9 个，钻孔钻尺约4 6 50 0 m，消除了2 2 13 0 1掘进工作面煤与瓦斯突出安全问题取得了良好的治理效果，使工作人员可以在较安全的环境中工作，保证人身安全,大幅度降低了煤矿安全事故发生概率，缩短了221301面瓦斯治理工程的施工时间，提高了瓦斯抽采效果和瓦斯治理效率，2 2 13 0 1和2 2 13 0 5工作面提前具备回采条件，安全经济效益显著。4结语面对瓦斯治理的严峻局面，肖家洼煤矿引进中国煤科重庆研究院自主研发的大直径定向钻孔钻机及配套技术,增加了工作面瓦斯治理手段，转变综采工作面临近层瓦斯治理方式，使精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理技术在2 2 13 0 1工作面防突中得到了成功应用。精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理技术实施效果理想，减少底抽巷工程量3 0 0 0 m，减少穿层钻孔3 50 1个，减少钻孔钻尺量12 8 50 0 m，经济效益显著；提高了地质探测的精准性，可使2 2 13 15面具备开采价值，可多采煤8.5万t，创效6 50 0 万元；工作面作业期间无煤与瓦斯突出安全事故。随着肖家洼煤矿2 2 13 0 1生产正式结束，该矿创新、完善并运用“以孔减巷”技术体系为核心的瓦斯超前治理新模式。在此期间，该工作面及相关区域瓦斯超前抽采与利用量达13 0 万m,达到了预期的瓦斯治理目标；由于取消了瓦斯道掘进施工，节约了大量资金，实现了“一优三减”和成本节约。肖家洼煤矿精准定向钻进“以孔减巷”瓦斯治理创新实践成果显著，对煤矿瓦斯治理由传统向创新方式转变起到重要启示与推动作用，为同类矿井瓦斯灾害的治理提供了可行方案和技术遵循。参考文献：1王志豪，张利军.千米定向钻机在余吾煤业瓦斯抽采中的应用 J.煤炭技术,2 0 14,3 3（11：3 2-3 4.2段志国.不同方式的定向钻孔在采面治理瓦斯上的应用 J.山西煤炭,2 0 14,3 4(0 8：56-58.3王跃东.复杂地质条件矿井水平定向钻进施工技术分析 J.山西大同大学学报（自然科学版）,2 0 11,2 7（0 3)：69-71.4高建康.精准定向钻进“以孔减巷”技术在瓦斯治理中的应用 J.能源技术与管理，2 0 2 2,4 7（0 2）：4 7-4 8.5马勇.马兰矿18 50 2 工作面以孔代巷瓦斯抽采技术研究 J.煤矿现代化,2 0 2 2,3 1(0 2)：111-114.6黄光利,冉庆雷，贾立刚.大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术应用研究 J.煤炭技术,2 0 2 1,4 0（0 8）:9 9-10 2.作者简介：慕乐（19 8 9-），男，内蒙古临河人，本科，助理工程师，研究方向：探放水。162