穿层顺煤层定向长钻孔“以钻代钻”消突技术探究

张生存1   ,王潇风2   ,王磊3

摘要：本文通过在许疃矿32310底抽巷试验穿层顺煤层定向长钻孔，代替传统穿层钻孔或煤巷顺煤层定向长钻孔，对突出危险区进行消突，即采用液动定向成孔或“液动定向、气动定向”交替钻进成孔的工艺方法，通过精细钻孔轨迹设计、全流程成孔工艺参数优化、钻进工艺难题管控等，并有效保障底板梳状孔各分支孔在煤层中前后搭接，实现煤巷条带、面内回采区域全覆盖，无盲区。通过成孔区域抽采，将瓦斯浓度和压力降至安全范围，消突突出危险性，保障煤巷安全高效掘进。

关键词：穿层顺煤层定向长钻孔；以钻代钻；消突技术

1 引言

随着煤炭开采深度的增加和开采范围的扩大，突出煤层突出危险区采掘作业日益增多。许疃煤矿工作面布置走向与倾向均较长，区域瓦斯治理钻孔工程量大、工期长，制约着矿井接替。以穿层顺煤层定向长钻孔代替传统的底板穿层钻孔或者煤巷顺煤层定向长钻孔，可以有效解决制约影响矿井接替的问题。拟采用穿层顺层孔定向长钻孔对突出危险区煤巷条带以及面内回采区域进行消突，即采用空气螺杆马达、无线电磁波随测量钻技术（或有线随钻测量技术）。

2试验工作面概况

试验工作面为许疃煤矿32310工作面，工作面煤层厚度平均2.90m。煤层赋存较稳定，结构复杂，以一层薄夹矸为主。

煤岩特征：黑色，玻璃光泽，由亮煤和半亮煤组成。f系数约0.56。现场观察中部有约200mm厚软分层。

煤层基本顶为细砂岩，平均厚度2.12m。直接顶为泥岩，平均厚度5.71m。直接底为泥岩，平均厚度7.12m。基本底粉砂岩，平均厚度2.54m。

3 试验方案

3.1 钻孔布置

钻孔施工拟在32310底抽巷巷帮钻场，从底板向上进入煤层后顺机巷方向施工。沿机巷方向布置7个钻孔，设计孔深500m，布孔间距6m，中心孔沿机巷中线布置，左右各3个孔。钻孔自底板进入煤层中，尽可能顺煤层钻进，若无法一钻成孔，后退至底板开分支继续钻进，在上一分支孔终孔附近再次进入煤层，直到完成设计深度。

3.2设备选型

本次试验主要设备和仪器如下：

（1）ZDY12000钻机；

（2）钻杆：① Φ89mm高韧性螺旋钻杆；② Φ73mm大通径钻杆；③Φ89mm无磁钻杆；④Φ73mm无磁钻杆。

（3）Φ73-82空气螺杆马达；Φ89空气螺杆马达。

（4）钻头：①Φ120定向钻头；②Φ153扩孔钻头；③Φ193扩孔钻头；④108定向钻头。⑤Φ140定向钻头

（5）测量仪器：泥浆脉冲随钻测量系统；无限电磁波测量系统；

（6）2.0MPa空气压缩机；

（7）泥浆泵车；

其他相关材料主要有：（1）水便；（2）高压胶管；（3）截止阀；（4）孔口集尘装置；（5）孔口除尘器；（6）流量计等。

3.3 工艺方法

（1）液动马达一钻到底

在32煤顺煤层钻进时，可优先采用液动螺杆马达钻进方法，在煤层情况允许的条件下，Ø89mm液动螺杆马达一钻到底，或在遇破碎、塌孔及排渣不畅等情况时采取多分支成孔，如前述钻孔结构设计。

考虑整体排渣效率和环空间隙以及开分支需要，全孔段钻具组合选择：

Ø140mm定向钻头+Ø89mm液动螺杆马达+Ø89mm泥浆脉冲或电磁波测量系统+Ø89mm高韧性螺旋钻杆+Ø89mm水便。

煤岩段均采用Ø140mm定向钻头成孔，确保岩孔段可直接开分支，同时保障煤孔段环空间隙达到51mm，能及时排出大颗粒煤渣，保证足够的排渣能力。

（2）液动穿岩、风动穿煤

根据钻进需要，当煤层碎软无法用水钻进时，采用液动穿岩、气动穿煤方式成孔。气动定向钻进时，根据过风通道的需要，须选择大通孔钻杆，且冲洗介质为氮气或空气，只能选用无线电磁波测量系统。此时煤孔段钻具组合为：

Ø108mm定向钻头+Ø82mm气动螺杆马达+Ø82mm电磁波测量系统+Ø82mm大通孔螺旋钻杆+Ø82mm水便。

3.4 技术特点

（1）煤层风动钻进，需要辅助探查钻孔，进入煤层后每隔100m快速抬倾角见顶板，确认见顶板后，退回继续开分支钻进，并视情况根据实钻轨迹修正煤层剖面。

（2）全程液动施工时，考虑单分支施工不超过100m。

（3）其他钻孔施工时在所有分支孔预计见煤点前30～50m预留分支点；

（4） 钻进过程中注意收集钻渣，见岩后由地测科判别岩性结合钻孔轨迹准确判别顶底板；

（5）轨迹控制方面，通过注意总结钻孔角度变化与工具面、孔深、流量、钻孔角度等因素之间的相互关系，有效精准轨迹控制；二是，可对于关键、异常孔段利用技术人员地面推演模拟指导现场控制钻孔轨迹。

4 展望

（1）采用底板梳状穿层顺煤层定向长钻孔对许疃矿32310工作面碎软煤层带进行区域治理，进行瓦斯预抽，从而实现不揭煤条带消突，能有效实现煤巷安全、高效掘进；

（2）基于气动螺杆马达和液动螺杆马达的定向钻进工艺，在岩层和煤层中交替施工，能有效实现碎软煤层底板梳状孔的成孔；

（3）在32煤层中，运用液动定向钻进工艺，配备钻具组合：Ø140mm定向钻头+Ø89mm液动螺杆马达+Ø89mm泥浆脉冲测量系统+Ø89mm高韧性螺旋钻杆+Ø89mm水便，能够实现穿层顺煤层钻孔的施工。

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