微波感应开关张迪;李泉新;方俊
【摘 要】针对矿井工作面开采和巷道掘进对瓦斯抽采治理的需要,提出集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术,介绍了其定义和基本原理、钻孔布置与施工工艺流程.结合保德煤矿煤层厚度大、煤质坚硬,夹矸层多、透气性差、瓦斯压力大等特点,开发了钻孔轨迹随钻测量技术、钻孔轨迹随钻人工控制技术和多分支枝状钻孔施工技术,并研制选配了由定向钻机、随钻测量系统、螺杆马达、定向钻杆和定向钻头等组成的定向钻进装备,形成完善的技术与装备体系.在保德煤矿81309工作面进行了技术应用,共施工集束型枝状定向钻孔14组,完成钻孔91个、分支孔318个,平均抽采浓度为40.71％,平均纯瓦斯流量为7.26 m3/min,瓦斯抽采率达到26.73％,满足81309工作面回采、83109运输巷和83110回风巷掘进对瓦斯抽采的需求,充分发挥了集束型枝状定向钻孔集中高效抽采和超前抽采的优势,在工作面圈闭之前,实现了工作面和待掘巷道的瓦斯超前治理.
【期刊名称】转动积木《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)006
【总页数】5页(P49-53)烧结焊剂
【关键词】瓦斯抽采;集束型枝状定向钻孔;一孔两消;瓦斯涌出;瓦斯治理
【作 者】张迪;李泉新;方俊
【作者单位】神华神东保德煤矿,山西保德036600;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077
【正文语种】中 文
【中图分类】TD713
瓦斯是煤矿安全高效开采中的重要事故隐患，为确保后期采煤安全，必须提前对煤层瓦斯进行预抽采，瓦斯抽采效率严重影响煤层开采效率。
煤层瓦斯预抽采需要达到消除巷道掘进和工作面回采时瓦斯异常涌出的目的，即包括2个重要方面：①超前掩护煤巷掘进的瓦斯抽采问题，确保煤巷掘进安全；②待采工作面内瓦斯超前抽采问题，确保工作面煤层回采安全[1-2]。
目前煤矿井下瓦斯预抽采钻孔主要有常规钻孔和定向钻孔2种类型，其中常规钻孔主要采用常规回转钻进技术施工，存在钻孔深度浅、轨迹不能控制、无效进尺多、无法顺应煤层起伏、单孔瓦斯抽采量小、抽采浓度低等缺点，不能满足一孔两消的需求[3-4]。定向钻进技术可以实现长钻孔钻进和钻孔轨迹精确控制，保证钻孔轨迹在煤层中有效延伸，增加单孔瓦斯抽采量，是实现煤矿区煤层气高效抽采的重要手段[5]。以往该技术与装备受澳大利亚、美国等少数国家垄断，严重制约着我国煤矿区瓦斯高效抽采；近十几年来，国内逐渐打破封锁，开发了煤矿井下用系列千米定向钻机、有线/无线随钻测量系统和专用定向钻具，形成了滑动定向钻进技术和复合定向钻进技术，实现了煤矿井下瓦斯抽采钻孔轨迹精确控制和长钻孔“几何导向”钻进，最大钻孔深度达到1 881 m，并可结合增透改造技术和定向保压密闭取样技术，提高钻孔覆盖面积，检验瓦斯原始含量和剩余含量，达到常规钻孔无法比拟的瓦斯抽采效果，为煤矿井下瓦斯灾害治理提供了技术与装备支撑[6-14]。
保德煤矿是神华千万吨级特大型矿井之一，既是神华神东公司唯一的高瓦斯矿井，又是国内最早采用定向钻孔进行瓦斯抽采治理的煤矿企业，形成了以集束型枝状定向钻孔为主、常规钻孔和增透改造技术为辅的瓦斯综合治理技术，取得了良好效果，保障了矿井安全高效开采。随着神东公司下属矿井逐渐向深部开采，未来均需要进行瓦斯抽采治理，因
此详细介绍了集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术原理和保德煤矿的相关应用情况，可供未来深部开采和类似矿井瓦斯治理借鉴。
1 保德煤矿地质与瓦斯抽采概述
1.1 基本情况
保德煤矿属河东煤田北部，井田面积55.9 km2，可采储量72 404万t，含煤地层为石炭二叠系，构造简单，呈平缓的单斜构造形态，发育有宽缓的波状起伏，地层产状总体呈走向350°，倾向260°，煤层倾角5°左右，未见有大型断层、褶皱及陷落柱。
保德煤矿分为4个盘区，采用走向长壁后退式开采，全部垮落法管理顶板，综合机械化放顶煤。
1.2 煤层情况
保德煤矿可采煤层 4 层，分别为 8#、10#、11#、13#层，其中主采煤层为8#煤，位于山西组底部S3砂岩之上，开采深度标高为+940～+420 m，埋藏深176～380 m，煤种为气煤，
具有以下特点：①煤厚变化区间为 2.15～10.50 m，平均 7.36 m；纯煤厚 1.85～9.20 m，平均6.02 m；为厚-特厚煤层，以厚煤层为主；②煤层结构复杂，含夹矸0～8层，一般3～4层，平均夹矸总厚1.38 m，单层夹矸最大厚度2.19 m，矸石岩性以泥岩为主，炭质泥岩次之；③煤层硬度大。
8#煤层伪顶为泥岩、炭质泥岩，直接顶为砂质泥岩、含砾粗砂岩，基本顶为粗砂岩，直接底多为砂质泥岩和泥岩，基本底为粗、中、细粒砂岩。
1.3 瓦斯情况
保德煤矿8#煤层瓦斯赋存整体表现为低含量、高压力、高放散初速度，煤层揭露瞬间瓦斯涌出量大。煤层中CH4含量在0～5.21 m3/t之间，平均含量为1.83 m3/t，瓦斯分带总体上属于第三带（氮气、甲烷带）。目前主要开采三、五盘区，都处于深部区，瓦斯压力逐渐增大。螺杆钻具
8#煤层属于可抽采煤层，瓦斯含量梯度为2.59 m3/（t·hm），随着煤层底板标高降低线性增大，随煤层埋深增大线性增大；瓦斯压力梯度为0.50 MPa/hm，随煤层底板标高降低线性增大，随煤层埋深变化线性增大。
1.4 瓦斯抽采系统与抽采技术
保德煤矿目前采用本煤层超前预抽和采空区尾联巷埋管抽采的半封闭式抽采方式。矿井抽采系统分南、北部区抽采。南、北部区均为地面永久高低负压分源抽采，地面装备高、低负压抽采系统各1套，其中高负压抽采系统用于对井下煤层超前钻孔抽采，低负压抽采系统用于对采空区进行抽采；在南部区井下三盘区布置了1套本煤层移动预抽系统和1套采空区移动抽采系统。
全息设备2 集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术
集束型枝状定向钻孔是指由多个枝状定向钻孔组成的集束型定向钻孔。其中，枝状定向钻孔是指含有多个分支孔的定向钻孔；集束型定向钻孔是指开孔点相对集中，钻孔方位呈扇形（或花束形）展开的多个定向钻孔。
集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术是指在工作面已掘巷道内设置多个钻场，垂直或平行于工作面施工多个集束型枝状定向钻孔，既全面覆盖待采工作面，又超前覆盖下一工作面的待掘巷道，进行瓦斯预抽达标后，确保工作面开采和巷道掘进安全，实现提
商场柜台制作高工作面和巷道影响区域内的瓦斯治理效果的目的，集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术原理如图1。
图1 集束型枝状定向钻孔一孔两消瓦斯治理技术原理
根据定向钻孔与工作面关系，可分为垂直集束型定向钻孔和水平集束型定向钻孔，其中垂直集束型定向钻孔单个钻孔深度可设计为工作面宽度+巷道掘进影响区宽度，一般为220～300 m左右；水平集束型定向钻孔设计深度一般为500～800 m。当工作面长度较大，可采用垂直集束型定向钻孔；当工作面长度较短，可采用水平集束型定向钻孔。
集束型枝状定向钻孔施工时综合利用了螺杆马达钻孔轨迹人工控制和随钻测量装置钻孔轨迹实时精确测量的功能。定向钻进时采用定向钻机夹紧由螺杆马达、下无磁钻杆、孔内探管外管、上无磁钻杆和中心通缆式钻杆等组成的孔内定向钻具组合，通过孔内探管对实钻钻孔轨迹和螺杆马达工具面的实时测量，掌握实钻轨迹与设计轨迹偏差，并调整螺杆马达的工具面向角，使其朝向设计轨迹方向，然后螺杆马达在高压冲洗液驱动下进行孔底局部回转钻进，从而精确控制钻孔实钻倾角和方位角，达到定向钻进的目的。
3 关键技术
3.1 钻孔轨迹随钻测量技术
随钻测量装置由孔内探管和孔口防爆计算机组成，可实时对钻孔轨迹参数和螺杆马达姿态参数等工程参数进行精确测量和计算，其工作原理是：孔内探管采用3个用于敏感地球重力加速度的加速度计、3个用于敏感地球磁场的磁传感器作为传感器组，传感器组感受其输入量并转化成电压输出，对电压进行采样和处理后，获得传感器原始测量数据；然后根据倾角、方位角和工具面向角与重力加速度和磁场强度的关系公式计算出孔内工程参数实测值；再经过有线传输通道实时传递至孔口防爆计算机，经上位机软件接收处理后绘制并显示出轨迹。
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