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千米定向钻机在新田煤矿的应用

发表时间：2020/8/12 来源：《基层建设》2020年第10期作者：许晓斌

[导读] 摘要：井下煤矿开采具有煤与瓦斯突出危险的煤层时，井下采掘生产有着较大的安全隐患。

        陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司陕西省渭南市 714000
        摘要：井下煤矿开采具有煤与瓦斯突出危险的煤层时，井下采掘生产有着较大的安全隐患。煤矿自身赋存条件等严重制约着矿井岩巷或煤巷的安全快速掘进。对于新建突出矿井的立井或石门揭煤，需先行采取防突措施，排除煤层的煤与瓦斯突出危险，才能进行揭煤工作，而受井下施工条件、设备等的限制，揭煤缓滞常常严重影响新建矿井的建井周期。近年来，煤矿井下定向钻进技术得到突破和改进，具有轨迹可控、施工成本低、覆盖区域广等特性，得到广泛推广应用。
        关键词：千米定向钻机；新田煤矿；应用
        引言
        对于千米定向钻机而言，主要是井下进行长钻孔作业的重要设备，不仅要对超千米深孔进行稳定的钻进，也能够适应各种地质的条件，现如今对于液压系统的设计通常情况下仅仅关注其功能的实现，没有能够充分的考虑负载出现后的系统运行影响，所以对于千米定向钻机在井下钻探中负载变化适应性进行研究，是作为提高其设备性能的重要内容。
        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。其内涵本质是定向钻进有预定目标，根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以是孔眼轴线或特定方向和角度，采用一些人为可以控制的技术方法与机具有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，使之钻进达到目标要求。根据施钻地层状况、设计要求和目的等不同，施工顺序可分为“前进式”和“后退式”两种。根据新田煤矿井下调研和矿井地质资料，结合矿方对于钻机性能和钻孔施工的具体要求，选用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY6000LD（B）定向钻机。可随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数，同时可实现钻孔参数、轨迹的即时孔口显示，便于施钻人员随时了解钻孔施工情况，并及时调整工具面方向和工艺参数，使钻孔尽可能的按照设计的轨迹延伸。
        2项目概况
        2.1煤层地质情况
        9号煤层位于龙潭组上段下部，上距8号煤层底板平均5m左右，下距标三（石灰岩）平均3.8m。全区见煤点共42个，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。
        2.2煤层瓦斯赋存情况
        根据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》（局部5、6、7、8#可采煤层未进行突出危险性鉴定，委托华北科技学院进行了突出危险性评估，在报告圈定的范围内5煤评估为突出煤层，6、7、8#煤评估为非突出煤层），结果得知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。
        2.3钻遇地层情况
        根据矿井接替需要，本次施工的目标层位是9#煤层，钻场布设在1901运顺迎头，开孔位置位于9#煤层中部，主要考察9#煤层顶底板地层情况。
        3千米定向钻机在新田煤矿的应用
        3.1施工设计方案
        目前千米钻机在1901运顺里程349m处，共设计8个钻孔。控制前方300m，巷帮15m。在主孔施工过程中，根据打钻情况再布置分支孔，预抽煤层瓦斯，掩护巷道掘进。孔身采用二级结构，包括一级套管一级裸孔，裸孔采用96mm直径，一级开孔采用250mm孔径，下入159mm套管（15m），施工?96mm定向钻孔。
        3.2钻孔施工情况
        该钻场于2019年1月7日开钻，截止3月6日早班，施工完成主孔6个钻孔，最大孔深459m。完成定向钻孔总进尺2463m，完成φ153mm扩孔122m，φ230mm扩孔122m。
        3.3工程效果
        3.3.1定向钻孔瓦斯抽采情况
        为详细观察定向钻孔施工完毕后的瓦斯抽采浓度情况，检验其抽采效果，定向钻孔施工完毕后，瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量均较高，持续时间也较长，抽采效果较为明显。
        3.3.2定向钻孔瓦斯抽采情况
        为了摸清前方煤层及地质情况，钻孔施工完毕后，及时绘制钻孔剖面图见图1。从图1分析得知，1901运输巷煤层变化平缓，煤层倾角3°~6°。前方虽然小型地质构造较多，但无大的断层，对煤巷掘进无较大影响。

                                          图1钻孔剖面图
        4千米定向钻机问题及对策
        4.1“以孔代巷”
        大孔径顶板走向钻孔“以孔代巷”抽采尽管在部分矿井试验取得成功，但是受瓦斯涌出量、地质条件、顶板岩性制约以及钻孔布置参数等因素影响仍未达到理想状态，即“U”采煤工作面上隅角不再采取埋管抽采等其它辅助手段，而处于完全安全稳定状态。需要进一步试验成功后制订相应的技术标准。
        4.2松软煤层或复杂地质条件钻进困难
        定向钻机优势在于能施工长距离钻孔，能够根据煤层起伏或设计进行垂直或水平定向拐弯，但是在钻孔低凹以及水平拐弯处易出现积渣积水堵塞钻孔现象，对于煤层松软或过地质构造区段还会出现塌孔现象而导致堵孔喷孔，而且由于钻孔长集聚的瓦斯量大，因此较常规钻孔喷孔强度大。在实际施工过程中要注意以下事项：a）在钻孔设计上尽量避免下向钻孔施工。b）对于煤层松软地段，应沿顶（底）板施工主孔，逐段向煤层开分支孔，采用“锯齿状或羽状”钻孔的办法进行抽采，以减少松软煤层地段的钻孔长度；在完孔抽采后，应选用大直径连管，在钻口安设球阀而不得使用蝶阀，以便孔内煤岩块容易进入除渣箱内；加强日常观测，发现瓦斯抽采气量明显减小，及时用钻机进行疏通。c）地质条件复杂矿井要结合钻孔轨迹加强对地质构造的研究，判断预测断层等构造产状，指导钻孔施工及巷道设计优化工作。d）在掘进工作面揭露钻孔时应引起重视，制订安全措施。e）对于高突矿井特别松软煤层，下一步应与制造厂家联合进行“高突矿井松软煤层定向钻机压风排渣施工工艺的改进”。
        4.3常规钻机改造
        目前某市焦煤集团常规液压钻机在钻进设备上占有绝对份额，在籍常规液压钻机总数量过剩约30%，而且在用的常规液压钻机因地质条件复杂及自身缺陷导致钻孔精确度差、抽采效率低等。定向钻机在矿井的需求量大，不仅需要大功率、长距离钻进（即千米）的定向钻机，而且需要相当数量的中等钻进距离（500m左右）定向钻机，定向钻机数量应占钻机总数的50%以上。常规液压钻机与定向钻机的主要区别在于驱动装置和测量系统，因此常规液压钻机具备改造为定向钻机的可行性。下一步应联合定向钻进设备厂家对目前的常规液压钻机进行改造试验，节约资金、盘活闲置资产，以解决定向钻机数量不足的问题。
        结语
        千米定向钻机具有精准定向和覆盖范围广等特性，在立井揭煤防突应用中可超前覆盖揭煤区域，提前预抽立井揭煤区域瓦斯，可有效缩短立井揭煤工期。
        参考文献：
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