瓦斯治理的“华阳方案”——华阳集团千米钻机应用调研
2024-01-15
来源：IntelMining智能矿业
瓦斯，煤炭天生的“冤家”，偶尔合不来，却总也离不开。它不仅是煤矿安全生产的大敌，更是制约煤矿安全高效发展的瓶颈。近年来，随着煤矿智能化建设深入推进，煤炭开采技术水平持续提升，现有的瓦斯治理技术手段和不断提高的煤炭开采效率，让“抽掘采”不平衡的矛盾愈发突出。如果给全国瓦斯治理难度大的矿区排个序，华阳集团恐怕“名列前茅”。华阳集团主采的沁水煤田，其东北隅阳泉一带是我国煤与瓦斯突出频率最高、瓦斯涌出量最大、自然灾害最严重的矿区之一。煤层突出危险性大的同时，还叠加地质构造复杂、煤层碎软、透气性差，属于典型的低渗碎软突出难抽采煤层。长期以来，华阳集团在降伏“气老虎”的道路上摸爬滚打，曾荣为“全煤瓦斯治理一面旗”，也曾因重大瓦斯事故而被认为“打虎英雄变怂了”，但治理瓦斯的决心从未改变。可以说，华阳集团的安全生产史、煤矿发展史，就是一部瓦斯治理史。2022年以来，华阳集团在以往瓦斯治理技术基础上，开展了大量创新性研究。千米钻机在华阳集团的应用从探索逐步走向成熟，为全国碎软煤层瓦斯区域治理提供了“华阳方案”。让千米钻机成为防治瓦斯的利器
2022年7月，华阳集团成立千米钻机应用工作专班，解决应用千米钻机防治瓦斯的难题。围绕“定得准、打得深、抽得出”的目标，华阳集团采用“钻—冲”一体化、气动（氮气）钻进两种工艺，在4座煤矿11个作业地点开始试验推进。
一组数据——2023年以来，华阳集团应用千米钻机累计完成102个钻孔，钻尺量达57585米，主孔深度500米以上的占53.92%；抽采量累计达555.18万立方米；平均百米钻尺抽采效率为0.0735立方米/分，是普通顺层预抽钻孔的3倍。两个纪录——气动（氮气）钻进工艺单孔钻进深度达607米，刷新全国纪录；碎软煤层定向钻进套铣打捞深度504米，创全国纪录。三项突破——3天完成进尺501米，创华阳集团最快单孔施工纪录；单班钻进进尺达102米，首次破百；单月完成进尺2004米，首次突破2000米。
千米钻机属于定向钻机的一种，能实现定向深孔钻进，钻孔深度在1000米以上，故称其千米钻机。因其具有定向功能，可以在一个钻孔中向周围360度的任意方位进行分支钻进，并能在千米以下的煤岩层中打出“S”形、“U”形、伞状、羽状等多个方向的钻孔，通过钻孔轨迹，可以精准探测煤层顶底板变化情况等，为煤炭开采提供依据。从2008年首台国产千米定向钻机研制成功开始，全国煤矿逐步开启了千米钻机用于瓦斯超前探放的应用研究。实践证明，千米钻机可实现矿井3年到5年大区域超前瓦斯治理，有效解决工作面预抽时间短、生产衔接紧张等难题，已成为煤矿瓦斯精准治理、地质构造精细探查的有效手段。华阳集团通风部副部长赵喜峰表示，多年来，华阳集团一直致力于破解瓦斯治理“卡脖子”难题，也开展了大量创新性研究，从技术应用到装备投入，一直走在行业前列。在十多年前，华阳集团就已率先应用千米钻机防治瓦斯，但在实际施工过程中困难重重。华阳集团所属生产矿井开采煤层属于沁水煤田，是碎软低渗突出难抽采煤层，瓦斯赋存条件复杂、地质构造多，导致煤层瓦斯含量大、透气性较低、坚固性差。这也就决定了千米钻机在钻进过程中会经常出现塌孔、卡钻等现象，钻孔成孔率受到严重影响，不得不暂时搁置。2022年是华阳集团推进煤炭产业高产高效的关键之年。华阳集团党委书记、董事长王永革在三季度安委（扩大）会上宣布成立高产高效、单进水平提升、千米钻机应用、机电设备标准化、拆除安装五大工作专班，随之又成立地质构造探测、选煤建设、切顶卸压工作专班，形成“八个专班”的工作格局，推动煤炭产业高质量发展。千米钻机应用工作专班主要解决应用千米钻机防治瓦斯的难题。围绕“定得准、打得深、抽得出”的目标，华阳集团采用“钻—冲”一体化、气动（氮气）钻进两种工艺，在二矿、新景公司、开元公司、平舒公司4座煤矿11个作业地点开始试验推进。2022年7月，随着首台ZYL-17000D型千米定向钻机落户平舒公司15304回风顺槽施钻现场，千米钻机应用在华阳集团再次启动。截至2023年10月底，华阳集团应用千米钻机累计完成93个钻孔，钻尺量达51918米，主孔深度500米以上的占52.69%，300米以上的占77.42%。其中“钻—冲”一体化工艺在同等碎软煤层条件下达到国内领先水平，气动（氮气）钻进工艺单孔钻进深度达607米，刷新全国纪录。赵喜峰表示，相较于传统的瓦斯抽采作业，千米钻机优势明显：一是抽采效率高，千米钻机抽采长度深、范围广、灵活性强，在钻进过程中还能显示钻孔轨迹，加上打钻孔量少节约作业时间，使得抽采效率得到极大提升；二是安全性强，千米钻机在瓦斯抽采中的应用，基本上实现了全程机械化操作，作业人员基本不受瓦斯威胁，生命安全得到保障，而且提前抽采瓦斯，能有效提高巷道掘进的安全性；三是适应性强，传统瓦斯抽采方式只能适用于地质条件好、透气性强、瓦斯释放容易的地质条件，而千米钻机受地质因素限制小，即便煤层松软、透气性不足，也能实现较为良好的瓦斯抽采效果。“经过一年多的实践应用，我们更加有信心和决心让千米钻机成为华阳集团治理瓦斯的重要技术手段，也力争为全国碎软煤层瓦斯区域治理提供‘华阳方案’。”赵喜峰说。因地制宜做好适应性研究
华阳集团同时推行“钻—冲”一体化和气动（氮气）钻进两种技术工艺，研究它们分别适用哪种地质条件，形成数据标准，为在全部煤矿大范围推广应用提供充分的依据。“进尺突破”之后，他们又推进“效率突破”，让技术工艺从探索走向成熟。
华阳集团在推进千米钻机防治瓦斯的应用实践中主要采用了“钻—冲”一体化和气动（氮气）钻进两种技术工艺。简单对两种工艺原理做个解释：“钻—冲”一体化工艺是利用高压水射流，驱动螺杆钻具工作，让钻孔周围煤体在地应力的作用下发生膨胀变形，进而使煤层充分泄压、裂隙增加，煤层透气性增强，大幅提升抽采效果，就像高压水枪对附着物体表面的污垢与本体的剥离；气动（氮气）钻进工艺是以高压制氮机提供的氮气作为动力，驱动气动螺杆钻具工作，实现定向钻进、排出煤渣，进行瓦斯抽采。这两种工艺钻进时的动力源不同，决定了在不同煤层赋存条件下，钻孔成孔效果也不同。“我们推行这两种工艺就是为了研究它们分别适用哪种地质条件，形成数据标准，为将来在全部煤矿大范围推广应用提供充分的依据。”华阳集团千米钻机应用工作专班成员史晓琼解释说。据介绍，实践证明，“钻—冲”一体化工艺适用于f值（煤的固定性系数）大于0.4的较硬煤层和岩层，成孔率较高，抽采效果好；气动（氮气）钻进工艺则更适用于f值小于0.4的碎软煤层，钻进效率比较高。“这一结论的得出其实非常不易，是我们不断研究、解决、尝试、突破的结果。这两种工艺在同等碎软煤层的应用没有太多先例可参考，我们也是摸着石头过河，遇到了很多困难。有时候因为卡钻一个月没有进展，有时候钻孔打了很长距离发现方向错误，塌孔更是家常便饭，但这些难题必须解决，才能让千米钻机真正发挥防治瓦斯的作用。” 史晓琼说。今年4月，华阳集团新景公司佛洼3号煤轨道巷2号孔内，千米钻机钻到504米时，发生塌孔卡钻掉钻故障，施工停滞。如果重新购置钻具既耽误工程进度，又造成成本增加，所以专班研究决定打捞钻具，并制定了打捞方案：一是继续向孔内送入氮气，利用风排渣，同时注入50千克泡沫剂进行润滑，提高孔内反渣效果；二是打破常规的直径146毫米扩孔钻头惯例，采用大直径钻头，即利用直径127毫米扩孔钻杆配直径168毫米钻头，对卡钻钻孔进行套铣。经过两种方案试验，最终用半个月时间成功套铣打捞卡钻钻孔内钻具，打捞深度达504米，创全国纪录。相较于“钻—冲”一体化工艺较为明显的应用效果，气动（氮气）钻进工艺应用进度较为缓慢，钻孔深度迟迟无法突破。为此，专班人员深入现场调研、积极开展技术攻关，每周组织召开协调例会及技术研讨会，交流解决施工难题，通过试验大流量高压力制氮设备、气动螺杆马达等一系列气动（氮气）钻进装备，有效解决了下行孔返渣排水困难的瓦斯治理难题。2023年7月，这一技术工艺单孔钻进深度达607米，刷新全国最大孔深556米纪录。华阳集团千米钻机应用工作专班成员周易杰表示，千米钻机的应用让华阳集团实现了“进尺突破”，但只有推进“效率突破”，才能实现技术工艺从探索走向成熟。为此，华阳集团确定了“单班钻进百米”的“华阳标准”。“综合考虑4座煤矿7个钻场的煤层地质赋存条件、千米钻机施工工艺和施工管理，以及详细的数据分析，我们认为推进千米钻机应用效率和成效进一步提升，要以煤层地质分析为前提、工艺技术为基础、施工管理为保障。”周易杰说。以华阳集团二矿15号煤11区2钻场为例，经过前期地质分析，钻进轨迹设计在煤层中上部的稳定层位中，钻孔倾角设计为5度至7度，非常利于钻进时排水排渣及瓦斯抽采。这说明千米钻机打钻孔前必须先打探测孔，探清构造和地层的上下起伏情况，精准设计钻孔轨迹。优选稳定的施钻位置和层位，保证轨迹平直，才能保证钻进效果和效率。同样是在二矿15号煤11区右回风巷2钻场5号钻孔钻进过程中，受15号煤煤质条件、软分层分布不均匀等影响，塌孔、压杆故障频繁，增加了钻具摩阻，降低了深孔排渣效率。为解决这个问题，专班采取优化钻具组合，调整水压、水量、推进压力等钻进参数，复合钻进及高性能钻孔液排渣等技术手段，极大保障了钻孔施工连续性和安全性。由此可以看出，根据实际钻进情况，选择最优成孔工艺及配套设备非常关键。“我们还制定了‘先探后钻’和‘一钻孔一设计’的实施方案，制定精细化管理措施，加强施工全过程管理，开展施工现场安全生产标准化建设，推动千米钻机应用制度化、规范化、标准化，走好走深走实应用千米钻机根治瓦斯抽采难题的正确路径。”周易杰说。成效最直接体现在瓦斯抽采效果上
从整体数据来看，千米钻机应用成效较为明显。对此，华阳集团结合实际明确了两个重要的应用方向，一个是有效解决近煤层瓦斯涌出对开采层采掘的影响，另一个是在底板岩巷利用千米钻机进行瓦斯预抽，实现大采长工作面瓦斯治理，降低治理成本。
千米钻机应用成效最终体现在瓦斯抽采效果上。2023年，华阳集团应用千米钻机平均单孔抽采量4.93万立方米，平均百米钻尺抽采效率为0.0735立方米/分，是普通顺层预抽钻孔的3倍；单孔平均抽采浓度为54.6%，最大为92%。从整体数据来看，千米钻机应用成效较为明显：第一，抽采效率大幅提高，普通顺层预抽钻孔平均百米抽采量是0.0246立方米/分，千米钻机是它的3倍；第二，抽采区域内瓦斯含量大幅下降，为后续的快速掘进提供了安全保障；第三，“定得准”的优势能有效消除抽采盲区，过去总是“偶遇”突出危险区，现在定向钻孔轨迹清晰可控，能主动“探索”消除预抽空白带。以华阳集团平舒公司15304回风巷为例，该区域实际施工8个主孔，7个主孔深度在500米以上，1个孔深408米，完成钻尺6564米，实现了深孔钻进。区域煤层原始瓦斯含量为15.21立方米/吨，区段内煤层储量为78960吨，煤层瓦斯储量约为120万立方米，抽采量超过原始瓦斯储量的50%。专班在连续抽采248天后，共计抽采瓦斯62.77万立方米；瓦斯抽采浓度最大值为54.6%，平均值为34.8%，抽采纯量最大值为4.37立方米/分，平均值为2.48立方米/分，充分说明钻孔封孔效果好、抽采效果明显；钻孔百米抽采量0.071立方米/分。随后，工作人员在巷道掘进过程中进行工作面瓦斯浓度实测，前350米平均瓦斯浓度0.15%，最高值为0.5%，350米到400米为0.7%，符合国家低于0.8%的规定。抽采的实际效果通过对比显而易见。“我们掘进到400米时暂停掘进，重新打抽采孔抽采瓦斯后完成掘进任务。这说明，我们现有的技术水平能保证定向长钻孔平均有效煤孔长度为400米，有了很大的提升空间。同时，也给我们提出一个问题：如果加大抽采时长，400米后的掘进范围瓦斯浓度会不会出现大幅度的下降，这都需要我们进一步研究和实践。”千米钻机应用工作专班成员张旭亮表示。张旭亮说，千米钻机应用实践最大的目的是推进大区域瓦斯超前治理。对此，华阳集团结合实际明确了两个重要的应用方向，一个是有效解决近煤层瓦斯涌出对开采层采掘的影响，另一个是在底板岩巷利用千米钻机进行瓦斯预抽，实现大采长工作面瓦斯治理，降低治理成本。千米钻机应用实践过程中，华阳集团“走出去”对标挖潜，借鉴标杆企业优秀经验，从技术工艺、工程组织、现场管理、装备维护等方面制订了对标指标和工作计划。一是定向钻孔成孔率指标，“钻—冲”一体化工艺成孔率提升至60%。二是定向钻进效率指标，“钻—冲”一体化工艺钻进效率提升至1500米/（月·台）。三是定向钻孔抽采效果指标，“钻—冲”一体化工艺钻孔单孔平均日抽采量不低于200立方米，气动（氮气）钻进工艺钻孔单孔平均日抽采量不低于230立方米。下一步，华阳集团千米钻机应用工作专班将总结经验、固化成果，形成千米钻机应用的“华阳标准”在集团其他矿井全面推广，因地制宜，实行“一钻场一方案”；优化施工流程，提高钻进效率，确保抽采时间不少于1年。同时，强化对标挖潜，借鉴标杆企业优秀经验，开展技术攻关，精益现场管理，奋力完成2024年干米定向钻孔钻尺目标，推动实现大区域瓦斯超前治理，助力矿井高产高效，为企业高质量发展保驾护航。
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