大扭矩定向高位裂隙钻孔技术研究应用

大扭矩定向高位裂隙钻孔技术研究应用

周滨滨

安阳鑫龙煤业（集团）红岭煤业有限责任公司 河南安阳 455000

摘要：采空区瓦斯涌出是造成工作面上隅角及回风流瓦斯超限的重要原因，传统治理煤层回采卸压瓦斯的方式有高位钻场抽放、高位钻孔和上隅角大管径预留管抽放技术等，高位钻场施工频繁，施工周期长、费用高，高位钻孔一般较短，一个回采面需要施工的高位钻孔数量多、钻场多、进尺数量大，钻孔利用率低，且在瓦斯富集区控制效果差，过钻场期间存在安全隐患，上隅角大管径预留管抽采浓度低，顶板塌陷过程可能造成管路损坏，影响抽采效果，导致安全隐患。因此急需寻求一种新的采空区瓦斯治理技术。

大扭矩定向高位裂隙钻孔技术取代传统高位钻场布置，提高裂隙钻孔控制位置精度，并实施大孔径抽放，降低采面上隅角瓦斯浓度，保证工作面回采安全，降低开采成本，提高经济效益。

关键词：瓦斯抽采  定向钻孔高位钻孔  高效抽采

一、实施工作面概况

1703工作面是17采区首采工作面，工作面埋深585～660m，煤层厚度为6.7～7.3m，平均煤厚7m。煤层透气性系数：4.7821～7.71m2/MPa2.d，煤的坚固性系数f值为0.26～0.32，最大原始瓦斯含量7.7989m3/t、最大原始瓦斯压力0.33MPa。工作面采取穿层钻孔预抽煤巷条带及回采区域煤层瓦斯区域防突措施。

高位钻场位于1703上巷通尺941m处，该处巷道支护为锚网钢带支护，巷道断面为矩形；钻场净宽8m，净高3.2m，净断面未25.6m²。锚杆选用φ22×2500mm螺纹钢锚杆，锚索采用φ21.6×L8000mm的钢绞线锚索，锚杆（索）间排距700×800mm，巷道空间环境符合打钻施工要求。

二、1703工作面高位定向钻孔设计及工程量

高位定向裂隙钻孔施工钻机使用20000N·M大功率定向钻机，施工大扭矩定向高位裂隙抽采钻孔技术以取代传统高位钻钻场多、钻孔数量多、钻孔利用率低的问题。

1703工作面回采区域高位钻孔设计布置在顶板裂隙带4个长距离定向钻孔，高位定向钻孔贯穿于1703工作面走向，呈开孔两排布置，上排钻孔距巷道底板3.1m，下排钻孔距巷道底板2.5m，终孔孔径φ165mm，开孔间距500mm，终孔间距15m，单孔设计深度564m，累计工程量2256m。回采期间高位定向钻孔与φ315mm的瓦斯抽放管系统联网，抽排回采工作面及采空区内的瓦斯，治理工作面上隅角的瓦斯浓度问题。

（一）1#高位定向钻孔：

1、1#高位定向钻孔实际孔深567m，开孔高度3.1m，终孔距离1703上巷轮廓线平距730mm，开孔方位角197.33°，终孔方位角188.6°，开孔倾角18°，终孔距离煤层顶板18m。

2、1#定向高位钻孔施工整体比较平稳，返水呈灰白、白色、灰色，施工至378-384m处返水较颜色为黑灰色，有塌孔憋泵现象，初步判断为砂质泥岩，待钻孔冲洗钻孔是返水清澈正常后继续施工至设计孔深。

（二）2#高位定向钻孔

1、2#高位定向钻孔实际施工主孔孔深567m，分支孔实际孔深398m，开孔高度2.5m，终孔距离1703上巷轮廓线平距13.57m，开孔方位角196.34°，终孔方位角188.6°，开孔倾角8°，终孔距离煤层顶板19.1m。

2、2#高位定向钻孔施工至398m时，遇软岩，有憋泵不返水现象，反复冲洗钻孔，有抱钻现象，退钻至243米处开分支，沿较硬岩层施工至设计孔深。

（三）3#高位定向钻孔

1、3#高位定向钻孔实际孔深567m，分支3-1#孔实际孔深345m，分支3-2#孔实际孔深339m，开孔高度3.1m，终孔距离1703上巷轮廓线30.8m，开孔方位角190.24°，终孔方位角188.6°，开孔倾角18°，终孔距离煤层顶板19.6m。

2、3#高位定向钻孔施工至345m时，有憋泵抱钻现象，多次卡钻，退钻至213m处开分支施工3-2#分支孔，施工至339米处时塌孔憋泵，返水浑浊，反复冲洗钻孔，无法给进，退钻至222m处重新开分支，施工至设计孔深，累计施工进尺816m。

（四）4#高位定向钻孔

1、4#高位定向钻孔实际孔深567m，开孔高度2.5m，终孔距离1703上巷轮廓线46.2m，开孔方位角180.23°，终孔方位角188.6°，开孔倾角18°，终孔距离煤层顶板25.6m。

2、4#高位定向钻孔施工至447m时，有一次憋泵现象，退钻27m后泵压正常，反复冲洗2次后正常施工至设计孔深。

（五）封孔联网

1、固管：开孔段为15m，开孔孔径为φ250mm，下φ219mm无缝钢管；推送钢管期间，每隔1m用绑丝缠绕4圈，将注浆管紧固钢管上，匀速送入孔内；利用注浆泵将水泥浆注入注浆段，注浆压力不小于4MPa；等待水泥凝固12小时后，注水试压，压力不小于4MPa。

2、钻孔并网连抽：地面焊制φ200mm八通，八通附有φ108mm接口，八通距离地面0.5m，在钻孔施工完毕后下入20m的

φ75mm筛管，孔口连接φ108mm铠装软管，然后连接至φ108mm接口，连接完毕后将八通与固定式孔板及自动计量装置连接，进行在线测量。

三、煤层顶板地层分布分析

根据实钻施工过程中憋泵、塌孔、抱钻等现象，导致钻进过程中异常困难。通过定向钻进数据以及返水返渣情况的数据分析，分析结果表明：煤层顶板以上21.6m～22m返水为黑灰色，初步判断为泥岩与砂质泥岩互层；27.6m～28m为返水浑浊，部分返水为红色，初步判断为破碎煤线、泥岩与砂质泥岩互层；30.2m～30.6m抱钻憋泵不返水，正常返水时水质比较清澈，缩径泥岩发生卡钻时返水明显变小，甚至不返水，出现抱死现象，初步判断为缩径泥岩；35.5m～35.9m为易碎夹矸层，返水黑灰色，返渣成块状，极易塌孔压钻；40.6～41m为破碎煤线，根据返水返渣情况分析约为0.4m的煤线以及煤线上下易碎夹矸，造成塌孔憋泵现象。

四、成孔分析

（一）高位定向长钻孔轨迹可控，能够覆盖普通高位钻孔施工中不能施工盲区、能够保证有效施工层位及抽采时间，孔径大抽采率高等优势。

（二）钻孔布置在与回风巷水平距离45m内，保证布置工作面采空区回风侧的顶板裂隙加强区范围内，钻孔分别选择距回风巷的水平距离为0、15、30、45m。

（三）为保证钻孔完整性，钻孔应布置在稳定岩层内，根据1703工作面煤层顶板赋存特性，钻孔选择布置层位在距开采煤层底板25m~45m相对稳定的泥岩层内，钻孔分别选择距开采煤层底板距离为25、26、32、37、42m。

（四）试验钻孔瓦斯抽采效果分析

高位钻孔投入使用后，各个高位定向钻孔抽采浓度相对比普通高位钻孔高。

五、实施效果

大扭矩定向高位裂隙钻孔技术实施可取代以往传统的高位钻场布置，定向高位裂隙钻孔一次控制长度可达到500m以上，以目前工作面布置情况，施工2个高位钻场即可控制整个回采工作面采空区，定向高位钻孔一次施工可长期利用，将减少工程、抽采材料、人工投入约300万元。

根据对大扭矩定向高位裂隙钻孔抽采参数实测，单孔浓度15.5～35.2%，单孔流量0.43～0.77m3/min，总管路平均浓度26.4%，平均抽采混合量9.13m3/min，平均抽采纯量2.41m3/min，平均日抽瓦斯纯量3470m3，截至目前已累计抽采采空区瓦斯21.5万m3。大扭矩定向高位裂隙钻孔孔径大、流量大，能够更加有效的抽采采空区瓦斯，降低回采期间采空区瓦斯涌出量，防止上隅角及工作面风流瓦斯超限，保证工作面安全高效回采。

作者简介：周滨滨（1987.02--），男，河南焦作人，本科学历，河南理工大学，工程师。