一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法与流程

本发明涉及一种长钻孔瓦斯抽采方法，属于瓦斯治理技术领域，具体涉及一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法。

背景技术：

随着煤炭开采深度的增加和开采范围的扩大，以钻孔抽采为主要技术手段的煤层瓦斯治理难度越来越大。在松软破碎煤层中施工瓦斯抽采钻孔容易出现塌孔、卡钻，存在成孔难度大的问题，目前一般采用以空气作为排渣介质的回转钻进方法或大螺旋钻杆回转钻进方法进行瓦斯抽采钻孔施工；而采用回转钻进则出现钻孔轨迹控制难，易钻进至煤层顶(底)板岩石，无法实现煤层顺层长钻孔施工，难以覆盖抽采范围，不利于煤层瓦斯防突治理。因此，目前在松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔施工的关键问题是以深度和精度为主的成孔问题。

为此，本发明的设计者鉴于以上缺陷，通过研究，发明一种煤矿井下碎软煤层顺层定向长钻孔“横穿工作面”瓦斯治理技术，用于回采工作面和待掘进巷道瓦斯预抽消突，实现“横穿工作面”，掩护煤层巷道安全掘进和采煤工作面的安全开采；该瓦斯治理技术能够大大提高碎软煤层顺层抽采钻孔深度和煤层钻遇率，减少大量无效进尺，节省底板巷和穿层钻孔，同时确保钻孔覆盖范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔施工中存在的以深度和精度为主的成孔问题，提供了一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法。该方法能够用于回采工作面和待掘进巷道瓦斯预抽消突，实现“横穿工作面”，能够大大提高碎软煤层顺层抽采钻孔深度和煤层钻遇率，减少大量无效进尺，同时确保钻孔覆盖范围。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，包括：

钻孔施工步骤，在煤层工作面一侧已掘进巷道内沿煤层施工顺层瓦斯抽采长钻孔至另一侧待掘进巷道；

筛管放置步骤，在所述顺层瓦斯抽采长钻孔内下入护孔筛管；

瓦斯抽采步骤，将护孔筛管连接瓦斯抽采管路以进行瓦斯预抽。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述顺层瓦斯抽采长钻孔为多条，并且：

各顺层瓦斯抽采长钻孔间平行分布从已掘进巷道一侧横穿工作面至另一侧；或者，各顺层瓦斯抽采长钻孔以扇形分布从已掘进巷道一侧横穿工作面至另一侧；或者，各顺层瓦斯抽采长钻孔先呈扇形分布再以平行分布从已掘进巷道一侧横穿工作面至另一侧。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述顺层瓦斯抽采长钻孔为多条，并且各顺层瓦斯抽采长钻孔的间距不大于瓦斯抽采直径。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述钻孔施工步骤具体包括以下子步骤：

开孔固孔子步骤，在已掘进巷道开孔并下入孔口管，在钻孔与孔口管之间环孔采用聚氨酯进行填充；将孔口管通过孔口集尘装置分别连接除尘器和瓦斯负压抽采管路；

预备钻进钻具连接子步骤，在钻机上依次连接钻头、空气螺杆马达、下无磁钻杆、无线电磁波测量短节、上无磁钻杆和整体式大通孔螺旋钻杆；旋转空气螺杆马达弯头朝向，校准工具面后下钻至孔底；

正常钻进子步骤，打开空气压缩机供风阀门，螺杆马达启动后钻头回转，孔口正常返风后开始钻进，钻进过程中通过无线电磁波随钻测量系统测量钻孔轨迹。

该钻进过程可分为回转复合钻进和滑动定向钻进两种钻进工况。根据当无线电磁波随钻测量系统测量实际钻孔轨迹与设计轨迹接近或偏差不大时，即无需调整钻孔轨迹时，采用复合定向钻进，钻具组合直接回转钻进，此时整个钻具回转不起造斜作用，钻具回转有利于排渣；

当实际钻孔轨迹与设计轨迹偏离较大，需要进行轨迹纠偏或造斜时，采用滑动定向钻进，钻具组合不回转，由于螺杆马达弯外壳作用，改变钻头切削方向，实现钻孔造斜和纠偏的目的，保证钻孔尽可能在煤层钻进。

该施工过程采用回转复合钻进和滑动定向钻进两种钻进工况交替的方式进行，直至钻进至设计孔深位置。

提钻子步骤，钻进完成后停止钻进，将空气螺杆马达钻进用钻具从钻孔内提出孔外。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述筛管放置步骤具体包括以下子步骤：

重新下钻子步骤，连接可开闭式导向钻头和整体式大通孔螺旋钻杆重新下钻，每钻进预定距离则连接送风器并通风，同时将钻孔内钻渣排出；

筛管下入子步骤，当下钻至预定深度时停止下钻，从整体式大通孔螺旋钻杆内部下入护孔筛管，当筛管推入孔底可开闭式导向钻头位置时，将钻头顶开，使筛管通过钻头进入孔内；

提钻收杆子步骤，将钻头和钻杆提出孔外，将筛管留在孔内。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述筛管放置步骤中，

将护孔筛管下入孔内后，在孔外15至20m筛管套上pvc管或钢管并进行封孔。

优选的，上述的一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，所述钻孔施工步骤中，所述顺层瓦斯抽采长钻孔在目标待掘进巷道内穿过巷道的长度为15-20米。

因此，本发明具有如下优点：

1.能够实现煤矿井下松软煤层顺层长钻孔施工，通过对钻孔轨迹有效控制，能够提高钻孔深度，大大提高煤层钻遇率。

2.通过对钻孔轨迹测量，能够确定实际钻孔轨迹，尽可能避免常规钻孔施工中存在的抽采盲区，有利于实现区域瓦斯治理。

3.该方法施工抽采钻孔具有“一孔两用”特点，既可实现对工作面瓦斯预抽，也可对掘进巷道条带控制，减少钻孔工作量同时，实现采煤工作面和掘进区域瓦斯有效治理，为煤矿安全生产提供保障。

4.可开闭式导向钻头下筛管工艺方法，保证钻具沿着原钻孔下入，钻杆内筛管下入阻力小，可靠性好，下入深度高，提高钻孔的利用率，增强瓦斯抽采效果。

附图说明

图1是碎软煤层顺层定向长钻孔进行瓦斯抽采工艺原理。

图2是碎软煤层顺层瓦斯抽采定向长钻孔平面布置示意图。

图3是碎软煤层空气螺杆马达定向钻进示意图。

图4是可开闭式导向钻头钻杆内下筛管工艺示意图。

图中，1-已掘进巷道；2-煤层；3-煤层顶板；4-煤层底板；5-实际钻孔轨迹；6-设计钻孔轨迹；7-待掘进巷道；8-施工钻场；9-送风器；10-整体式大通孔螺旋钻杆；11-孔口集尘装置；12-孔口管；13-上无磁钻杆；14-无线电磁波随钻测量短节；15-下无磁钻杆；16-空气螺杆马达；17-定向钻头；18-可开闭式导向钻头；19-护孔筛管；ⅰ—采煤工作面；ⅱ-巷道掘进一侧安全控制范围；iii-巷道掘进靠近工作面一测安全控制范围。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

步骤一：碎软煤层顺层瓦斯抽采定向长钻孔设计

根据瓦斯抽采要求进行钻孔设计，其中钻孔深度要求：从已掘进巷道(1)穿过采煤工作面(ⅰ)到待掘进巷道(7)，同时保证穿过巷道(7)的长度不小于巷道掘进要求控制范围(ⅱ)，一般为15m或20m，符合煤矿安全规程和防突规定要求。其中钻孔布置方面，结合实际条件和需要确定，设计钻孔(6)可呈平行布置、扇形布置或几种相结合方式；钻孔(6)间距由瓦斯抽采半径r确定(钻孔间距≤2r)。

钻孔倾角：设计钻孔(6)不同深度孔段钻孔倾角根据煤层(2)起伏变化情况进行确定，存在已知断面或煤层标高数据，根据已知断面进行推演或通过标高数据进行计算得到。

钻孔方位角：根据钻孔平面布置情况，确定钻孔开孔方位、不同深度孔段和终孔方位。

步骤二：碎软煤层顺层瓦斯抽采定向长钻孔施工

a.开孔扩孔：在已掘进巷道(1)确定的钻场位置(8)或开孔点调整好倾角和方位角，采用113(或133mm)钻头回转钻进方法开孔9～12m，后采用153mm扩孔钻头扩孔3m后提出孔内钻具；

b.下入127mm孔口管(12)，钻孔与孔口管(12)之间环孔采用聚氨酯进行填充，确保孔口管固定牢固；之后孔口管(12)通过接箍或法兰盘连接孔口集尘装置(11)，然后通过管路将孔口集尘装置(11)分别与除尘器和瓦斯负压抽采管路连接；

c.在钻机上依次连接钻头(17)、空气螺杆马达(16)、下无磁钻杆(15)、无线电磁波测量短节(14)、上无磁钻杆(13)和整体式大通孔螺旋钻杆(10)等；连接前需要检查确保空气螺杆马达(16)通风正常运转，无线电磁波随钻测量短节(14)在安装好后能正常发射和接收数据；

d.旋转空气螺杆马达(17)弯头向上，通过测量系统的孔口装置检测校准工具面后慢慢下钻直至孔底；

e.连接送风器(9)，打开空气压缩机供风阀门，待钻孔正常返风后通过钻机旋转钻杆(10)开始复合钻进，每钻进6m通过测量系统测量钻孔轨迹，即钻孔参数(钻孔倾角、方位角、工具面向角等)通过无线电磁波随钻测量短节(14)的发射装置将信号传输到孔口，由孔口的接受装置接收信号，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹。

f.钻进至煤层顶板(3)、底板(4)或实际钻孔轨迹(5)与设计钻孔轨迹(6)偏差较大时，旋转钻杆(10)，改变空气螺杆马达(17)弯头朝向后采用滑动定向钻进进行纠偏，纠偏完成后继续回转复合钻进，如此交替进行。钻孔轨迹控制过程中，根据孔口接收装置显示的钻孔轨迹情况，判断如何进行调整，从而使钻孔轨迹尽可能沿着煤层或预定方向延伸。钻进过程中，压缩空气携带钻头切削的钻渣沿着钻杆与孔壁的环空间隙排出孔外；整体式大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆(10)回转时起到搅动和辅助排渣的作用。

e.采用复合钻进和滑动定向钻进交替进行，并测量钻孔轨迹，当钻进至设计孔深或预定深度后提钻，完成钻进施工。

步骤三：下筛管护孔、封孔

在钻孔完成后，连接可开闭式导向钻头(18)和整体式大通孔螺旋钻杆(10)重新下钻，每隔一段连接送风器(9)并通风，将钻孔内钻渣排出，确保下钻过程顺畅；当下钻至预定深度时停止下钻，从整体式大通孔螺旋钻杆(10)内部下入护孔筛管(19)，筛管可以是连续管，也可以是插接或丝扣连接，当筛管推入孔底可开闭式导向钻头(18)位置时，将钻头顶开，筛管(19)能够通过钻头进入孔内；然后开始提出钻杆(10)，将筛管(19)留在孔内，钻头和钻杆提出孔外。为了防止筛管随钻杆提出孔外，也可在筛管前端部连接悬挂装置，此处不再叙述。

护孔筛管下入孔内后，孔外15～20m筛管套上直径稍大pvc管(或钢管)，采用“两堵一注”钻孔封孔工艺进行封孔，之后再连接瓦斯抽采管路，通过管路对回采工作面和待掘进巷道瓦斯进行预抽。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。