成功案例
VLD千米钻机在低透松软煤层瓦斯治理中的应用
发布时间：2015/3/3 10:42:44
1.低透气性松软煤层瓦斯治理问题
松软煤层也称构造煤层，是指煤的硬度系数小于1的煤层。构造煤结构复杂，煤质松软，强度低，其孔隙度大，渗透性差，有利于瓦斯的保存，致使煤层中瓦斯压力和含量一般也比较高。钻孔是高瓦斯低透气性矿井瓦斯治理的基础技术手段，而大多数低透松软煤层钻孔成孔率低、成孔质量差，且瓦斯抽采衰减速度快，因此在低透气性松软煤层治理瓦斯极其困难。为解决低透松软煤层瓦斯治理难题，可以从提高钻孔成孔率、成孔质量和抽采效果三个方面着手。
我国煤层透气性差，特别在西南地区，93.4%的煤矿可采煤层都是具有煤与瓦斯突出危险的松软煤层，如神华乌海能源集团黄白茨煤矿020913工作面9号及10煤、屯兰煤矿南五10502工作面的02号煤层、平山煤矿11014工作面3号煤层和福达煤矿80209工作面的8号煤层，都属于透气性差且松软煤层。在这些煤矿中最好的施工地点传统旋转钻机施工的短钻孔成孔率也不足10%，百米瓦斯抽采量极低，且传统旋转钻机钻进期间容易出现瓦斯超限事故和钻具掉落事故，其中在黄白茨矿9号和10号煤层、10502工作面的02薄煤层根本无法钻进。即使采用国内的千米钻机施工也频繁出现无法开孔、开孔后就严重塌孔、卡钻，无法实现瓦斯抽采，给瓦斯管理带来极大挑战。
松软煤层中利用传统旋转钻机施工还可能突然扰动煤层应力分布，造成巨大的弹性变形能和瓦斯内能瞬间释放，引起煤与瓦斯突出。
为确保实现低透气性松软煤层先抽后采和抽采达标，保证安全生产，必须改变低透气性松软煤层的钻进工艺，提高煤层透气性、成孔率、成孔质量和钻孔瓦斯抽采效果。以黄白茨煤矿020913工作面和屯兰煤矿10502工作面为试验地点，采用VLD千米钻机进行施工，成孔效果良好，钻孔抽采效果良好，起到了防突消突效果。
2.在低透松软煤层钻进工艺和优势
VLD千米钻机施工可以避免钻进期间瓦斯超限、卡钻及塌孔问题，通过高水压压裂和开分支提高低透松软煤层的透气性。
2.1 施工设备
VLD-1000型钻机、DDMS孔底测量设备、DHM孔内马达、CHD重型MECCA钻杆。
2.2 施工工序
钻孔设计→设置钻机位置→开孔注浆（安装封孔管）→链接抽采四通→安装孔口密封器装置→钻进施工→洗孔退钻杆并接抽钻孔。
2.3 VLD千米钻机开孔方式
利用96mm钻头开孔6.3m，再采用150mm钻头扩孔6.3m，之后放入6米6寸钢制封孔管，快速水泥注浆，4个小时凝固后开始钻进。
2.4 钻进时钻杆不旋转
区别于传统钻机，VLD千米钻机钻进时钻杆不旋转，孔底马达靠钻机水泵提供的高压水驱动钻进。
2.5 钻进期间的密封性
钻杆不旋转可以确保钻进时带负压钻进且不漏气，确保瓦斯和水及煤渣分离。钢制封孔管连接球阀，球阀后部连接抽采四通，之后安装密封器设备，最后连接用于二次分离水和瓦斯的小气水分离器，四通和小气水分离器都连接在抽采系统上的大气水分离器，以上是保证钻进期间瓦斯不超限的重要环节。孔口球阀确保可以随时切断钻孔瓦斯源，四通确、小气水分离器和大气水分离器保钻进期间瓦斯和水及煤渣的分离，密封器配有密封胶垫和盘根确保气密性良好。另外通过注浆和高效速凝水泥确保6米的6 寸钢制封孔管与煤体成为一体，确保气密性。
2.6 确保软煤层成功开孔办法
为确保在松软煤层开孔成功，采用先加固煤体后开孔放入6寸钢制封孔管钻进，就是在开孔位置周边施工4~8个60mm直径24m短钻孔注浆确保煤体加固。
3.VLD千米钻机在黄白茨矿和屯兰矿松软煤层施工情况
VLME千米钻机在黄白茨矿和屯兰煤矿进行了低透气性松软煤层钻进试验，成功应用，效果良好。施工地点在黄白茨020913工作面和屯兰矿10502工作面的02煤层。
3.1 020913和10502工作面煤层参数
煤矿项目施工地施工煤层煤厚（m）煤层透气性（mD）瓦斯含量（m3/t）坚固性系数备注
神华黄白茨 内蒙古乌海 9号、10号（合并煤层） 1.2~1.50.01~0.02115~160.32~0.40传统钻机无法
施工，国内定向钻
机施工钻孔深度
不足100m，出现严
重塌孔、顶孔，无法
钻进。
长治煤运销福达矿 山西左权8号 1.3~2.30.004~0.01012~140.30~0.43
西山集团屯兰煤矿 山西太原 02号，03号（合并煤层） 0.5~1.80.002~0.00910~130.23~0.41
3.2 VLD千米钻机黄白茨软煤层施工情况
因为黄白茨矿020913工作面施工钻场有限，只有一个，施工不易成孔，所以VLD千米钻机在黄白茨煤矿同一个钻场施工9号和10煤层钻孔，即在一个封孔管里分别施工9号和10号煤层钻孔。所以每个封孔管里面设计3个钻孔，共计6个封孔管，18个钻孔。钻孔平面及代表性的单孔剖面如下图。
黄白茨煤矿020913工作面9号煤层和10煤层钻进平面图（红色为10号煤钻孔，青色为9号煤钻孔）
代表性的单孔轨迹图（平面）
代表性的单孔轨迹图（剖面）
3.3 VLD千米钻机屯兰矿软煤层施工情况
VLD千米钻机在屯兰矿10502二切眼处施工2个钻场，见下图，共13个钻孔，最长孔深525m，实现了在松软煤层钻进的目的并有效的解决了掘进和回采期间容易瓦斯超限的问题。因02煤层属于极难钻机松软煤层，又有为探明断层，根据VLD千米钻机的特点和优势，设计并施工锯齿状钻孔，即主孔布置在02号煤层的顶板或者底板每30-80m开分支进入02煤层，尽可能多的在02煤层钻进，并利用高水压和大水量进行反复压裂，达到既增加松软煤层透气性又增加瓦斯流动空间的效果，其中1-7号钻孔，为下锯齿钻孔，从煤层底板施工主孔，利用马达的弯度开分支钻进煤层中；其中8~13号钻孔，为上锯齿钻孔，从煤层顶板施工主孔，利用马达的弯度开分支钻进煤层中。这两种办法都起到了增加透气性并增加钻孔通道空间的效果，进而提高低透气性软煤层的抽采效果。
10502瓦斯治理VLD千米钻机施工图
10502下行锯齿状钻孔施工剖面图
10502实际上锯齿状钻孔施工剖面图
4.瓦斯抽采效果考察
4.1 确保高效抽采瓦斯
每个钻孔施工过程进行高压水压裂并放出煤渣和水，确保提高低透气性软煤层的透气性和成孔质量，之后接抽进入具有上下两罐（直径530mm）的大型气水分离器，如下图，气水分离器连接到抽采系统。抽采负压能力为10~30Kpa。
4.2 瓦斯抽采数据
钻孔施工接抽后，煤体深部的经过水力压裂作用后发育裂隙，在抽采负压系统作用下，游离态瓦斯进入抽采系统，游离态瓦斯进入抽采系统的同时煤体中的吸附态瓦斯因吸附平衡被破坏，持续不断地促使吸附态瓦斯变为游离态瓦斯，解吸出大量瓦斯，因此在负压作用下，瓦斯源源不断地进入抽采系统。
由于千米钻机施工采用了高压水压裂煤层和锯齿状钻孔起到增加煤层透气性的效果，钻孔瓦斯浓度必然较高，并且钻孔抽采衰减慢，持续抽采时间较长。单孔平均瓦斯抽采数据见下表。
图3-4 钻孔接抽气水分离器装置
煤矿单孔平均瓦斯抽采量 (m3/min)平均瓦斯浓度(%)
黄白茨0.9187
屯兰矿0.5078
5.成功推广及结论
福达煤矿的80209和平山11014工作面的瓦斯治理过程中同样遇到了软煤层无法施工旋转钻孔和抽采量极低的情况，借鉴黄白茨、屯兰煤矿VLD千米钻机的成功使用经验，福达矿和平山矿先后采用了VLD千米钻机进行锯齿状和树状钻孔施工，最长孔深分别达到435m和402m，极大地提高了瓦斯抽采量。
松软煤层也称构造煤层，是指煤的硬度系数小于1的煤层。构造煤结构复杂，煤质松软，强度低，其孔隙度大，渗透性差，有利于瓦斯的保存，致使煤层中瓦斯压力和含量一般也比较高。钻孔是高瓦斯低透气性矿井瓦斯治理的基础技术手段，而大多数低透松软煤层钻孔成孔率低、成孔质量差，且瓦斯抽采衰减速度快，因此在低透气性松软煤层治理瓦斯极其困难。为解决低透松软煤层瓦斯治理难题，可以从提高钻孔成孔率、成孔质量和抽采效果三个方面着手。
我国煤层透气性差，特别在西南地区，93.4%的煤矿可采煤层都是具有煤与瓦斯突出危险的松软煤层，如神华乌海能源集团黄白茨煤矿020913工作面9号及10煤、屯兰煤矿南五10502工作面的02号煤层、平山煤矿11014工作面3号煤层和福达煤矿80209工作面的8号煤层，都属于透气性差且松软煤层。在这些煤矿中最好的施工地点传统旋转钻机施工的短钻孔成孔率也不足10%，百米瓦斯抽采量极低，且传统旋转钻机钻进期间容易出现瓦斯超限事故和钻具掉落事故，其中在黄白茨矿9号和10号煤层、10502工作面的02薄煤层根本无法钻进。即使采用国内的千米钻机施工也频繁出现无法开孔、开孔后就严重塌孔、卡钻，无法实现瓦斯抽采，给瓦斯管理带来极大挑战。
松软煤层中利用传统旋转钻机施工还可能突然扰动煤层应力分布，造成巨大的弹性变形能和瓦斯内能瞬间释放，引起煤与瓦斯突出。
为确保实现低透气性松软煤层先抽后采和抽采达标，保证安全生产，必须改变低透气性松软煤层的钻进工艺，提高煤层透气性、成孔率、成孔质量和钻孔瓦斯抽采效果。以黄白茨煤矿020913工作面和屯兰煤矿10502工作面为试验地点，采用VLD千米钻机进行施工，成孔效果良好，钻孔抽采效果良好，起到了防突消突效果。
2.在低透松软煤层钻进工艺和优势
VLD千米钻机施工可以避免钻进期间瓦斯超限、卡钻及塌孔问题，通过高水压压裂和开分支提高低透松软煤层的透气性。
2.1 施工设备
VLD-1000型钻机、DDMS孔底测量设备、DHM孔内马达、CHD重型MECCA钻杆。
2.2 施工工序
钻孔设计→设置钻机位置→开孔注浆（安装封孔管）→链接抽采四通→安装孔口密封器装置→钻进施工→洗孔退钻杆并接抽钻孔。
2.3 VLD千米钻机开孔方式
利用96mm钻头开孔6.3m，再采用150mm钻头扩孔6.3m，之后放入6米6寸钢制封孔管，快速水泥注浆，4个小时凝固后开始钻进。
2.4 钻进时钻杆不旋转
区别于传统钻机，VLD千米钻机钻进时钻杆不旋转，孔底马达靠钻机水泵提供的高压水驱动钻进。
2.5 钻进期间的密封性
钻杆不旋转可以确保钻进时带负压钻进且不漏气，确保瓦斯和水及煤渣分离。钢制封孔管连接球阀，球阀后部连接抽采四通，之后安装密封器设备，最后连接用于二次分离水和瓦斯的小气水分离器，四通和小气水分离器都连接在抽采系统上的大气水分离器，以上是保证钻进期间瓦斯不超限的重要环节。孔口球阀确保可以随时切断钻孔瓦斯源，四通确、小气水分离器和大气水分离器保钻进期间瓦斯和水及煤渣的分离，密封器配有密封胶垫和盘根确保气密性良好。另外通过注浆和高效速凝水泥确保6米的6 寸钢制封孔管与煤体成为一体，确保气密性。
2.6 确保软煤层成功开孔办法
为确保在松软煤层开孔成功，采用先加固煤体后开孔放入6寸钢制封孔管钻进，就是在开孔位置周边施工4~8个60mm直径24m短钻孔注浆确保煤体加固。
3.VLD千米钻机在黄白茨矿和屯兰矿松软煤层施工情况
VLME千米钻机在黄白茨矿和屯兰煤矿进行了低透气性松软煤层钻进试验，成功应用，效果良好。施工地点在黄白茨020913工作面和屯兰矿10502工作面的02煤层。
3.1 020913和10502工作面煤层参数
煤矿项目施工地施工煤层煤厚（m）煤层透气性（mD）瓦斯含量（m3/t）坚固性系数备注
神华黄白茨 内蒙古乌海 9号、10号（合并煤层） 1.2~1.50.01~0.02115~160.32~0.40传统钻机无法
施工，国内定向钻
机施工钻孔深度
不足100m，出现严
重塌孔、顶孔，无法
钻进。
长治煤运销福达矿 山西左权8号 1.3~2.30.004~0.01012~140.30~0.43
西山集团屯兰煤矿 山西太原 02号，03号（合并煤层） 0.5~1.80.002~0.00910~130.23~0.41
3.2 VLD千米钻机黄白茨软煤层施工情况
因为黄白茨矿020913工作面施工钻场有限，只有一个，施工不易成孔，所以VLD千米钻机在黄白茨煤矿同一个钻场施工9号和10煤层钻孔，即在一个封孔管里分别施工9号和10号煤层钻孔。所以每个封孔管里面设计3个钻孔，共计6个封孔管，18个钻孔。钻孔平面及代表性的单孔剖面如下图。
黄白茨煤矿020913工作面9号煤层和10煤层钻进平面图（红色为10号煤钻孔，青色为9号煤钻孔）
代表性的单孔轨迹图（平面）
代表性的单孔轨迹图（剖面）
3.3 VLD千米钻机屯兰矿软煤层施工情况
VLD千米钻机在屯兰矿10502二切眼处施工2个钻场，见下图，共13个钻孔，最长孔深525m，实现了在松软煤层钻进的目的并有效的解决了掘进和回采期间容易瓦斯超限的问题。因02煤层属于极难钻机松软煤层，又有为探明断层，根据VLD千米钻机的特点和优势，设计并施工锯齿状钻孔，即主孔布置在02号煤层的顶板或者底板每30-80m开分支进入02煤层，尽可能多的在02煤层钻进，并利用高水压和大水量进行反复压裂，达到既增加松软煤层透气性又增加瓦斯流动空间的效果，其中1-7号钻孔，为下锯齿钻孔，从煤层底板施工主孔，利用马达的弯度开分支钻进煤层中；其中8~13号钻孔，为上锯齿钻孔，从煤层顶板施工主孔，利用马达的弯度开分支钻进煤层中。这两种办法都起到了增加透气性并增加钻孔通道空间的效果，进而提高低透气性软煤层的抽采效果。
10502瓦斯治理VLD千米钻机施工图
10502下行锯齿状钻孔施工剖面图
10502实际上锯齿状钻孔施工剖面图
4.瓦斯抽采效果考察
4.1 确保高效抽采瓦斯
每个钻孔施工过程进行高压水压裂并放出煤渣和水，确保提高低透气性软煤层的透气性和成孔质量，之后接抽进入具有上下两罐（直径530mm）的大型气水分离器，如下图，气水分离器连接到抽采系统。抽采负压能力为10~30Kpa。
4.2 瓦斯抽采数据
钻孔施工接抽后，煤体深部的经过水力压裂作用后发育裂隙，在抽采负压系统作用下，游离态瓦斯进入抽采系统，游离态瓦斯进入抽采系统的同时煤体中的吸附态瓦斯因吸附平衡被破坏，持续不断地促使吸附态瓦斯变为游离态瓦斯，解吸出大量瓦斯，因此在负压作用下，瓦斯源源不断地进入抽采系统。
由于千米钻机施工采用了高压水压裂煤层和锯齿状钻孔起到增加煤层透气性的效果，钻孔瓦斯浓度必然较高，并且钻孔抽采衰减慢，持续抽采时间较长。单孔平均瓦斯抽采数据见下表。
图3-4 钻孔接抽气水分离器装置
煤矿单孔平均瓦斯抽采量 (m3/min)平均瓦斯浓度(%)
黄白茨0.9187
屯兰矿0.5078
5.成功推广及结论
福达煤矿的80209和平山11014工作面的瓦斯治理过程中同样遇到了软煤层无法施工旋转钻孔和抽采量极低的情况，借鉴黄白茨、屯兰煤矿VLD千米钻机的成功使用经验，福达矿和平山矿先后采用了VLD千米钻机进行锯齿状和树状钻孔施工，最长孔深分别达到435m和402m，极大地提高了瓦斯抽采量。