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1、煤矿井下定向钻进技术在瓦斯治理模式中的应用摘要：瓦斯气体，作为煤炭开采的伴生物，有着安全生产的重大隐患。同时 瓦斯空排是对能源的巨大浪费和环境的破坏。瓦斯发电是煤矿瓦斯利用的重要途 径，不仅可以达到节能减排的效果，还可以促进煤矿行业的良性发展，实现经济 效益和社会效益的最大化。本文煤矿井下定向钻进技术在瓦斯治理模式中的应用 实现煤与瓦斯共采。关键词：煤矿井下;定向钻进技术;瓦斯治理;应用引言煤矿井下近水平定向钻进技术已广泛应用在瓦斯治理、水害防治和地质构造 探测领域，技术与装备日趋完善，并在碎软煤层、破碎地层等复杂地质条件下的 成孔方面取得重要的研究进展。但是，在煤层顶底板砂岩、灰岩等硬质岩层
2、中的 定向钻进仍然存在钻进效率低、深孔钻进易产生托压、轨迹控制难度大及在硬岩 中较难开分支等问题，长期成为制约近水平定向钻进技术在煤矿硬岩层中应用的 技术瓶颈。1 煤矿作业中定向钻进技术的含义定向钻进作业技术是一种新型的并在勘测开采领域被广泛应用的作业技术。 而定向钻进作业技术在我国煤矿勘测作业中最主要的用途之一就定向钻进行防治 水性钻孔施工、抽采煤矿井下瓦斯等有毒气体，为保证煤矿井下的勘测作业能够 正常顺利地开展提供一个较为安全的施工和生产环境，对煤矿的开采起到一定的 保障碍物作用。其主要是由井下作业工具、工艺设备和测量工具组合在一起使用 通过不断动态地调整钻孔的运作轨迹，从而使钻头沿指定的
3、方向到达预计目标处 大大提高工作效率，降低施工成本，达到预期效果，对于后期工作的开展提供了 重要指导和参考，其工作开展相对轻松且安全性大大提高。2 定向钻进技术难题2.1 钻进效率低硬质岩层具有高的硬度和研磨性，PDC钻头在孔底以机械方式破碎岩石时， 需要更大的推进力使PDC切削齿楔入岩石产生局部破碎穴，并在高转矩的作用下 回转推进，使切削齿前方岩石产生崩解，在持续稳定的推进力和回转力共同作用 下，破碎岩石，实现钻进。在使用孔底动力钻具实现定向钻进的过程中，推进力 由钻机提供，回转力由孔底动力钻具提供，由于煤矿井下钻机能力有限，主要采 用小直径螺杆钻具，其能提供的额定工作转矩较小，在使用PDC
4、钻头破碎硬质岩 层时，无法实现高效破碎。因此，在煤矿井下硬岩定向钻进中，钻进效率低。2.2 深孔钻进产生托压托压是指在定向钻井过程中，由于钻具与井壁之间的摩擦力太大而导致钻压 不能有效传递到钻头的现象。煤矿井下近水平定向钻进没有垂直孔段，在滑动定 向钻进过程中，随着孔深的不断增加，孔口给进力需要逐渐增大，引起孔内复杂 作用下产生的摩阻力越来越大，当钻孔达到一定孔深时，出现孔口给进力传递困 难钻进效率降低。实钻数据统计规律显示，在岩石坚固性系数在 8 左右的灰岩中 托压现象出现在 400500m 孔深，其产生的原因与地层岩性、钻孔曲率和位移、 垂深与岩屑、孔深、自重与给进压力有关系。3钻进工艺本
5、项目采用定向钻进和回钻钻进的混合钻进方式。采用定向钻进时，对钻孔 轨迹实时监控，使实钻轨迹与设计轨道相吻合，但定向钻孔轨迹空间呈螺旋状， 易造成钻孔摩阻大，导致钻进效率低且易造成孔内钻具安全事故。回钻钻进方式， 使孔壁光滑，摩阻小，且处理孔内塌孔时能力较强。定向钻孔为二级孔身结构。 一级孔身结构主要目的为下入孔口管（168mm）;二级孔身结构为定向孔段，主要 是在目的层位进行定向钻进，孔径为120mm1）级孔身结构钻具组合依次为： 开孔：120mmPDC钻头+89mm普通钻杆串;一级扩孔：98mm/153mmPDC钻头 +89mm普通钻杆串;二级扩孔：153mm/193mmPDC钻头+89mm
6、普通钻杆串;孔 口管下深：168mm孔口管下至稳定岩层。2）二级孔身结构钻具组合为:定向钻 进：120mmPDC钻头+89mm孔底马达+89mm下无磁钻杆+随钻测量仪器+89mm 上无磁钻杆+89mm通缆钻杆串。回转透孔钻进：120mmPDC钻头+89mm普通钻 杆串。4定向钻进装备煤矿井下硬岩定向钻进装备主要由定向钻机、泥浆泵车、大功率螺杆钻具、 级差式定向钻头、水力振荡器、水力加压器等组成。1）定向钻机。定向钻机主 要用于提供给进、起拔和回转动力、夹持和拧卸孔内钻具、克服螺杆钻具钻进的 反扭矩等，目前已成系列化。在硬岩深孔定向钻进时，主要要求：钻机输出扭 矩大，能提供较大回转力，具有较强的
7、孔内事故处理能力；给进起拔力大，能 够满足深孔定向钻进的需要。可优选屡创世界纪录的ZDY12000LD、ZDY15000LD 定向钻机。2）泥浆泵车。泥浆泵车可输出高压冲洗液，驱动孔底螺杆钻具工作， 实现破岩钻进。由于配套大功率螺杆钻具，泥浆泵车需要有较高的输出压力和稳 定的输出流量，保证大功率螺杆钻具最优的工作状态，目前煤矿井下主要优选 BLY460泥浆泵车，最大输出泵量460L/min，额定工作压力可达13MPa。5定向钻孔轨迹针对23208工作面下部3#煤层游离瓦斯卸压抽采综合利用问题，在23208工 作面进顺中部布设1个定向钻场，设计3个定向钻孔。定向钻孔目标层位要求水 平段距离232
8、08工作面进顺分别为20m、50m、80m，与被保护层3#煤层顶板距离 为4m。定向钻孔平面轨迹见图1。6瓦斯抽采及利用效果6.1瓦斯抽采效果23208 工作面定向钻孔施工完成后进行联管抽采，通过对 3个钻孔瓦斯抽采 浓度、抽采纯量进行分析，11#钻孔瓦斯抽采质量分数平均为 60.3%，平均流量 为3.7m3/min，单日瓦斯抽采量平均为3638.2m3；l 2#钻孔瓦斯抽采质量分数平 均为67.82%，平均流量为6.82m3/min，单日瓦斯抽采量平均为6664.8m3；l 3#钻 孔瓦斯抽采质量分数平均为68.67%，平均流量为4.84m3/min，单日瓦斯抽采量平 均为4784.53。邻
9、近21218工作面采用本煤层、顶底板常规抽采钻孔及采空区抽 放的“三位一体”综合抽采模式，全部常规钻孔正常抽采期间单日瓦斯抽采纯量 一般为1500m3。因此，定向钻孔的抽采效果明显优于常规钻孔抽采方式。6.2 瓦斯利用效果下峪口煤矿在引进定向钻进技术前，矿井瓦斯抽采浓度仅为3%4%，抽采浓 度低导致瓦斯发电得不到有效利用。将定向钻进技术结合卸压瓦斯抽采后，矿井 瓦斯抽采总质量分数提高到8.5%15%,单月瓦斯发电量达到110万kw/h，实现 了卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的瓦斯治理综合利用新模式。结束语将井下定向钻进技术应用于保护层开采卸压瓦斯抽放利用领域，结果表明， 定向钻进技术解决了常规
10、钻孔瓦斯抽采效率低的问题，定向钻孔相比常规钻孔的 瓦斯抽采效果更明显，保证了工作面的安全高效生产。同时，抽采的高浓度瓦斯 用于发电，为实现煤与瓦斯共采的绿色治理瓦斯模式提供了积极的探索思路。参考文献1 吴杰下峪口煤矿保护层开采水平长钻孔卸压瓦斯抽采技术J 陕 西煤炭，2018(5):55582 刘庆军.“以用促抽”绿色治理瓦斯模式的探索J.煤炭技术， 2018(12):1691713 温志强，王庆下峪口煤矿保护层开采瓦斯综合治理技术研究J 建筑工程技术与设计，2017(34):504 505.4 刘之琳，田亚峻，李永龙，等欧洲主要产煤国煤矿瓦斯利用技术及展望 J 煤炭技术，2018, 37(3):168 169.
