太西煤集团哈沙图煤矿井下定向瓦斯抽放钻孔设计.docx
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太西煤集团哈沙图煤矿井下定向瓦斯抽放钻孔设计
太西煤集团哈沙图煤矿+1720水平
井下定向瓦斯抽放钻孔设计
内蒙古太西煤集团兰山煤业公司松树滩煤矿
二0一一年五月
审批签字栏
职务
姓名
意见
前言
一、矿井概况…………………………………………………………………………3
（一）矿井地质情况…………………………………………………………………3
（二）矿井瓦斯基本情况……………………………………………………………9
二、项目区概况………………………………………………………………………10
（一）项目区位置……………………………………………………………………10
（二）项目区钻场钻、孔布置情况…………………………………………………10
（三）项目区钻进施工顺序…………………………………………………………10
（四）项目区煤层气（瓦斯）资源量………………………………………………11
（五）抽放方法………………………………………………………………………13
三、井下定向瓦斯抽放钻孔设计……………………………………………………14
（一）设计原则………………………………………………………………………14
（二）钻孔参数设计...................................................15
（三）钻孔结构设计.................................................15
（四）施工钻场抽放联接...............................................16
（五）封孔设计.......................................................16
（六）主要设备情况...................................................16
四、钻孔工程量统计和施工顺序及工期安排.............................20
五、常用记录和报表.................................................22
六、施工安全管理及存在问题.........................................24
（一）施工措施.......................................................24
（二）安全措施.......................................................25
（三）存在问题.......................................................26
前言
哈沙图煤矿位于内蒙古自治区阿拉善左旗境内古拉本矿区立新井田14～17勘探线间。
井口距乌巴公路1km，为沙石路；距巴彦浩特镇45km；距乌海市103km，距宁夏银川市167km,均为柏油路，交通十分便利。
矿井隶属于太西煤集团兰山煤业公司，所产煤炭为享誉国内外的太西煤（优质无烟煤），设计产能30万吨/年。
随着矿井技改工作的接近尾声，采掘接续矛盾日渐突出。
随着矿井采掘工作的延伸，地应力、瓦斯压力增大，煤层瓦斯含量增高，瓦斯突出危险性增大。
而井下常规钻机能力偏小，施工的钻孔长度短、孔径小。
同时受井下施工空间限制，常规钻机只有在巷道形成后方能进行施工，瓦斯预抽期短，造成矿井瓦斯抽采不能满足生产接续的需要，矿井掘、抽、采比例失调，用常规钻机施工瓦斯抽放孔，不利于矿井扩大生产规模的规划要求。
目前，瓦斯问题仍然是制约哈沙图矿高效、安全生产的首要问题。
为解决上述问题，2009年8月至2010年3月，太西煤集团兰山煤业公司与北京华安普惠公司合作，在哈沙图煤矿+1780水平布设了四个钻场，共计施工了13个钻孔，钻进总进尺8589m，对该矿+1780水平运输石门南翼二1上、二1、二3、二4几层煤进行了瓦斯抽采。
由于有效钻孔（煤孔）率低，虽然取得了一定的抽放效果，但仍不能满足目前+1780水平二1上层煤运输平巷掘进的要求。
因此设计在二1上层煤+1780水平运输石门南翼沿走向布设一水平长钻孔，进行瓦斯抽放，满足“先抽后掘”的要求。
同时为解决华鑫能源公司瓦斯发电气源的问题，计划在该矿+1780水平运输石门北翼、+1720运输石门南翼各煤层底板布置钻场，打走向长钻孔进行瓦斯预抽。
鉴于外委公司施工成本过高的因素，太西煤集团兰山煤业公司成立了自己的钻探队伍，并购进了一台ZDY6000LD型井下千米定向钻机（计划两台），交由松树滩煤矿使用和管理。
该钻机具有施工中长距离1000m以内定向钻孔、多分支孔、探顶（底）孔和探明地质构造、采空区、积水区段孔等的先进功能。
2011年计划在公司所属各煤矿开展走向长钻孔施工，满足矿井瓦斯预抽工作需要。
本次设计参考资料有：
北京华安普惠科技发展有限公司和澳大利亚威利朗沃钻井公司提交的《哈沙图煤矿瓦斯抽采项目工程竣工报告》、长春煤炭设计研究院提交的《哈沙图煤矿瓦斯抽放工程设计说明书》、煤炭科学研究总院西安研究院提交的《松树滩煤矿煤层瓦斯参数测试及突出危险性评价报告》、中煤科工集团西安研究院做的《煤矿井下定向钻进技术》、《哈沙图煤矿采掘工程平面图》等。
一、矿井概况
（一）、矿井地质情况
1、矿井基本情况
哈沙图煤矿井田位于内蒙古自治区阿拉善左旗境内古拉本矿区立新井田14～17勘探线之间。
东北与陡崖沟煤矿井田、西南与长沟煤矿井田相邻；深部+1600水平以下为松树滩煤矿井田。
井口距乌巴公路1km，为沙石路；距巴彦浩特镇45km；距乌海市103km；距宁夏银川市167km，均为柏油路，交通十分便利。
（见交通示意图）
矿井海拔标高在+1975m～+2263m左右。
地势中部高；东、西部略低。
境内除确台沟一带有少量黄土覆盖外，其余皆为裸露岩石，地形切割剧烈。
地层走向北东向；倾向西北，倾角55°～63°，构造比较简单。
区内无地表径流，确台沟位于井田西部，是矿区内最大的谷地，平日无水，雨季时可汇集确台沟、哈沙图沟、炭窑沟的雨水形成洪流，因此在雨季暴雨时，对矿井生产有一定的影响。
2、地层
立新井田内地层出露良好，含煤系地层为下侏罗统汝箕沟组，平均厚度227m，呈角度不整合于上三迭统之上。
其上部连续沉积了中侏罗统木葫芦沟组，厚320m；上侏罗统确台沟组，厚800m；寒武系灰岩及前震旦系花岗片麻岩，在矿区西部逆于侏罗系之上；第四系冲、洪积层存在于沟谷间或呈阶地状存在。
下侏罗统含煤11层，即：
一、二1上、二1、二2、二3、二4、三、四、五、七1、七2。
含煤地层总厚度197m，煤层总厚度26.42m，含煤系数0.13。
在14～17勘探线之间的哈沙图煤矿井田内共含煤5层，其中二1、二3、二4层煤大部可采。
二1上层煤在14线以南1300m范围内可采，二2层煤在16勘探线以南2500m的范围内可采。
（见综合柱状图）
3、地质构造
哈沙图煤矿井田为一单斜构造，地质构造简单，煤系地层在东面出露，区内已知的断层有F17逆断层，从哈沙图煤矿+1780水平运输石门揭露的情况看，造成了二3、二4层煤重复，钻孔施工过程中要特别注意。
其它构造目前尚不明确。
4、水文地质
煤矿内无地表径流，确台沟为矿区内最大沟谷，平日无水，雨季时可汇集托立沟、木葫芦沟、哈沙图沟、炭窑沟的雨水形成洪流，由西北方向流泄矿区外；南部二道岭沟常年有溪流，雨季时对矿区的生产、生活有一定的影响。
地层的含水系数小，矿井涌水量不大，不会对钻进工作造成影响，但要注意断层附近涌水量的变化。
5、煤层特征
井田内共有五层煤，煤层编号从上而下分别为二1上、二1、二2、二3、二4层煤。
二1上层煤，较稳定、为简单结构煤层。
二1层煤，全区较稳定、为简单结构煤层，局部结构复杂。
二2层煤，不稳定，在18号勘探线以南的局部地段尖灭，13#号孔以北尖灭。
二3层煤，较稳定，为简单结构煤层。
二4层煤，较稳定，为简单结构煤层。
煤层特征表
煤层编号
煤层厚度
煤层结构
顶、底板岩性
煤层间距
（m）
稳定程度
最小～最大
平均
类型
夹矸层数
顶板
底板
二1上
1.21~2.61
1．91
简单
2~3
粉砂岩
粉砂岩
4~10
7
20~24
22
3~6
4.5
6~8
7
较稳定
二1
2.92~8.50
5.71
简单
1~5
粉砂岩
粉砂岩
较稳定
二2
0.69~2.01
1.35
复杂
3~7
粉砂岩
细砂岩
稳定
二3
2.5~3.41
2.95
简单
1层
局部略多
粗砂岩
粉砂岩
不稳定
二4
1.30~2.05
1.68
简单
2
粗砂岩
粉砂岩
较稳定
6、煤质
煤质为低灰、低硫、低磷的无烟煤，平均灰分在12%左右，硫分在0.4%以下，发热量在7700大卡左右（约32.24MJ%kg），磷分低于0.005%，是优质无烟煤。
煤的可磨性系数：
49～53。
机械强度：
25mm级的含量为64～86％。
热稳定性：
（850℃）13mm级的含量为80～95％。
煤尘：
煤尘爆炸性指数＜15％，属不爆炸性煤尘。
煤体坚固性指数：
f值0.80～1.40，平均f值为1.04。
瓦斯放散初速度：
△P的值为15～28，平均值为19.33。
真密度：
1.44～1.54g/cm3,平均值为1.48g/cm3。
视密度：
1.38～1.51g/cm3,平均值为1.42g/cm3。
煤层空隙度：
0.87％～5.00％，平均值为2.96％。
煤质特征表
煤层编号
原煤硫分
Std（%）
原煤发热量
Qd（KJ/g）
原煤灰分
Ad（%）
挥发分（精煤）
Vdaf（%）
二1上
0.26
34.22~32.96
33.8（6）
12.08~5.26
8.98（10）
6.32~4.96
5.57（9）
二1
0.14
33.23~30.04
32.23（11）
14.33~6.11
9.51（23）
10.18~5.06
6.69（23）
二2
0.32
35.28~29.77
32.74
15.42~3.00
8.61（20）
10.18~4.30
6.24（20）
二3
0.20
34.36~31.81
33.26（8）
16.97~5.43
8.89（17）
6.92~4.88
5.27（17）
二4
0.28
34.17~25.77
32.35（8）
27.03~6.12
9.82（14）
10.52~4.35
5.90（14）
（二）矿井瓦斯基本情况
1、矿井煤层气（瓦斯）资源量
由于哈沙图煤矿未进行过瓦斯参数测定工作，瓦斯含量是根据煤炭科学研究总院西安研究院2007年7月在其深部的松树滩煤矿完成的《松树滩煤矿煤层瓦斯参数测试及突出危险性评价》及瓦斯赋存梯度进行推算得出。
经推算：
标高+1700水平：
二1上层煤瓦斯含量为14.58m³/t；二1层煤瓦斯含量为15.1m³/t；二2层煤瓦斯含量为21.84m³/t；二3层煤瓦斯含量为15.96m³/t。
标高+1800水平：
二1上层煤瓦斯含量为12.46m³/t；二1层煤瓦斯含量为13.5m³/t；二2层煤瓦斯含量为21.78m³/t；二3层煤瓦斯含量为15.72m³/t。
二4层煤暂无数据，可参照二3层煤。
哈沙图煤矿煤层瓦斯总储量约244250.83Km³，可开发瓦斯量约53807.47Km³。
2、瓦斯抽采现状
哈沙图煤矿的瓦斯抽放管路已与松树滩煤矿瓦斯抽放泵站实现对接，目前泵站运转正常，正在对+1780水平现有的钻孔进行抽采，抽放系统能够满足施工要求。
二、项目区概况
（一）项目区位置
本项目区位于哈沙图煤矿+1780水平运输石门和+1720水平运输石门内。
（二）项目区钻场、钻孔布置情况
+1780水平二1上层煤沿用现有钻场，钻孔相对标高：
0、+20m；+1780水平二1层煤北翼可利用现有的顺层平巷（已形成回风系统）做钻场；+1720水平各煤层和+1780水平二1上、二3、二4层煤的钻场均布设在煤层底板内距煤层8m处，钻场规格：
6m（宽）×3m（深）×3m（高），采用锚喷支护。
钻孔抽放半径定为5m，钻孔相对标高：
0、+10m、+20m、+30m、+40m；钻孔均为走向长钻孔，控制范围：
+1780水平北翼走向长1000m，南翼走向长均为640m，倾向长59m，煤层倾角58°。
（三）项目区内钻进施工顺序
首先由西安煤科院带领在+1780水平南翼二1上层煤内进行施工，解决运输平巷“先抽后掘”问题，并对该煤层+1780水平以上奥钻施工区域进行钻孔加密，提高该区域瓦斯抽采率，同时检验钻机性能和锻炼队伍；考虑到该区域内奥钻已经在+30m、+11m、-8m（钻孔相对标高）布置了三个走向钻孔，需要和西安院协商能否再增加钻孔，又因为+1720水平运输石门巷道断面小，未建钻场，无法进钻机，不具备钻进施工条件，可将+1780水平二1层煤北翼定为预备钻场，若二1上层煤无法施工时，先在预备钻场内施工。
为了不影响技改施工，待+1720水平具备施工条件后，先进行该水平南翼各煤层钻孔施工，完工后再撤至+1780水平进行北翼各煤层钻孔施工。
（四）项目区煤层气（瓦斯）资源量
1、基础参数情况
（1）x﹍吨煤瓦斯含量
（2）L﹍走向长度
（3）S﹍倾斜长度
（4）R﹍煤的容重
（5）H﹍煤层厚度
（6）A﹍抽采区煤层储量
（7）W﹍抽采区瓦斯储量
2、计算方法
瓦斯储量按下式计算：
W=A×X，A=L×S×H×R。
+1780水平北翼所有煤层走向长1000m，倾向长59m，倾角58°。
煤层储量按上式计算：
（1）二1上层北翼煤层瓦斯储量为：
A=1000m×59m×3.2m×1.45t/m³=273760t
W=273760t×12.46m³/t=3411050m³
（2）二1层北翼煤层瓦斯储量为：
A=1000m×59m×6.3m×1.45t/m³=538965t
W=538965t×13.5m³/t=m³
（3）二3层北翼煤层瓦斯储量为：
A=1000m×59m×3.6m×1.45t/m³=307980t
W=307980t×15.72m³/t=4841446m³
（4）二4层北翼煤层瓦斯储量为：
A=1000m×59m×1.8m×1.45t/m³=153990t
W=153990t×15.72m³/t=2420723m³
+1720水平南翼所有煤层走向长640m，倾向长70m，倾角58°。
煤层储量按上式计算：
（1）二1上层南翼煤层瓦斯储量为：
A=640m×70m×3.2m×1.45t/m³=207872t
W=207872t×14.58m³/t=3030774m³
（2）二1层南翼煤层瓦斯储量为：
A=640m×70m×6.3m×1.45t/m³=409248t
W=409248t×15.1m³/t=m³
（3）二3层南翼煤层瓦斯储量为：
A=640m×70m×3.6m×1.45t/m³=233856t
W=233856t×15.96m³/t=m³
（4）二4层南翼煤层瓦斯储量为：
A=640m×70m×1.8m×1.45t/m³=116928t
W=116928t×15.96m³/t=m³
A总=2242599t
W总=32758177m³
因+1780水平南翼二1上层煤目前正在抽采，此次瓦斯储量计算不做统计。
（五）抽放方法
1、瓦斯抽放的可行性
开采层瓦斯抽放的可行性是指在原始透气性条件进行预抽的可能性。
一般用煤层的透气性系数（λ）和钻孔瓦斯流量衰减系数（α）来判断开采层瓦斯抽放可行性。
由于哈沙图煤矿尚未进行以上参数的测定工作，所以只能根据与其邻近的且煤层赋存条件相似的松树滩煤矿、别立沟煤矿的测定结果来进行评价。
松树滩煤矿实测的煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数如表3-2-1所示，根据我国煤层瓦斯抽采难易程度分类指标（见表3-2-2），二1上、二1、二2、二3四个煤层抽采难易程度分别为可以抽采煤层、较难抽采煤层、较难抽采煤层和可以抽采煤层。
根据别立沟煤矿测定结果，哈沙图煤矿各煤层均属可以抽放煤层。
2、项目区采用本煤层瓦斯充分预抽的方法
预计抽采效果是项目区煤层瓦斯相对含量降至8m³/t以下，满足矿井安全生产需要。
哈沙图煤矿的瓦斯抽放系统已经完善，抽放工作可与钻进工作同步进行，直到煤层瓦斯含量降到符合标准以下为止，期间要做好各种参数的测定工作，为今后本地区瓦斯抽采设计提供依据。
松树滩煤矿煤层瓦斯抽采难易程度分类表
层号
钻孔瓦斯流量衰减系数
α（d-1）
煤层透气性系数λ
（㎡/MPa2.d）
抽采难易程度
二1上煤
0.0347~0.0357
0.315~0.963
可以抽采煤层
二1煤
0.1383~0.2567
0.051~2.472
较难抽采~可以抽采煤层
二2煤
0.0887~0.0923
0.049~0.444
较难抽采煤层
二3煤
0.0169~0.0224
0.763~14.98
可以抽采煤层~容易抽采煤层
本煤层瓦斯抽采分类指标
抽采难易程度
钻孔瓦斯流量衰减系数α（d-1）
煤层透气性系数λ（㎡/MPa2.d）
容易抽采
＜0.003
＞10
可以抽采
0.003~0.05
10~0.1
较难抽采
＞0.05
＜0.1
三、井下定向瓦斯抽放钻孔设计
（一）设计原则
1、有效地抽放瓦斯，确保项目区安全开采和瓦斯利用接续。
2、依据项目区地质条件和邻近煤层工作面已施工钻孔情况，合理设计钻孔轨迹（平面位置和钻孔轨迹层位）。
3、根据理论计算和项目区地层情况及抽放经验，选取合理的抽放半径，做到科学设计钻孔间距。
4、根据钻机能力、煤层赋存状况和巷道布置情况，合理布置钻场和钻孔，尽可能地消除抽采盲区。
5、为利于施工和瓦斯抽放，不设计负角孔。
6、根据ZDY6000LD履带式全液压钻机在复杂地质情况中的施工经验和钻进能力，合理布置钻孔长度。
（二）钻孔参数设计
在三维空间中，钻孔设计参数根据上部已有巷道的走向和相关测点坐标，分析煤层产状变化情况，先计算出钻孔轨迹中每个控制点和钻孔靶点的X、Y值和轨迹方位，根据揭露情况计算出Z值和钻孔轨迹倾角，再根据每个控制点和靶点的值，运用插值计算方法，设计中间点的各参数值。
受地质条件的影响，煤层在走向和倾向上都有波状起伏变化，钻孔轨迹设计是理想状态下的轨迹，在实际施工过程中根据施工情况应随时调整钻孔参数。
（三）钻孔结构设计
1、第一次开钻：
采用Φ96mmPDC钻头回转钻进9-12m，退钻换Φ153mmPDC扩孔钻头扩至6m后退钻，下入Φ133mm高强封孔管，用水泥封孔。
2、第二次开钻：
用Φ96mmPDC钻头+孔底马达+下无磁钻杆+随钻测量仪器+上无磁钻杆+Φ73mm通缆钻杆钻具组合，开始定向钻进。
3、定向钻进时，每施工3m对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的现场实际地质情况，调整参数，力求钻孔按照设计轨迹和要求钻进。
（四）施工钻场抽放联接
钻孔开始正常施工时，必须在气水分离器上口连接的钢丝胶管上安装一个阀门，用于控制抽放负压，根据钻孔瓦斯涌出量大小调节阀门，实行边施工边抽放，杜绝瓦斯喷孔事故的发生。
（五）封孔设计
为防止塌孔并封闭有害气体，需对开孔段进行封孔，具体要求如下：
1、封孔必须采用封孔专用设备进行封孔，必须保证封孔长度不小于6m。
2、开孔时先采用Φ96mmPDC钻头回转钻进至9-12m后提钻，然后用Φ153mmPDC复合片扩孔钻头扩孔6m或7m后，反复洗孔，保证孔内清洁无钻渣后退出钻杆。
3、退出钻杆后下入Φ133mm孔口管，外端必须超出岩壁30cm，并采用封孔专用设备向孔内注入水泥、速凝剂和水的均匀混合浆，水泥、速凝剂和水的比例约为5:
1:
2，注完后必须保证静置至少4小时。
4、封孔后保证钻孔不漏气。
（六）主要设备情况（见设备材料明细表）
本项目采用的主要设备为ZDY6000LD井下定向钻机，它主要包括钻机系统、钻具组合和随钻测量系统，具体如下：
1、钻机系统：
施工所用钻机采用西安煤炭科学研究院钻探研究所研制生产的ZDY-6000LD履带式全液压钻机。
该钻机具有搬迁方便、转速调节范围宽、扭矩大、结构合理、技术性能先进、工艺适应性强、操作省力、安全可靠等优点。
主要用于煤矿井下地质勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔等的施工。
其主要技术参数见表1。
表1：
ZDY6000LD型钻机主要技术参数一览表
钻孔倾角（°）
-10°～20°
钻机质量（kg）
7000
回转速度（r/min）
50～190
最大回转扭矩（Nm）
6000～1600
主轴额定制动转矩（Nm）
1500
给进能力（Kn）
190
起拔能力（KN）
190
行走速度（m/s）
0-2.5
给进/起拨行程（mm）
1000
最大爬坡能力（°）
20
电机功率（KW）
90
运输状态外行尺寸（mm）
3380×1450×1800
2、钻具组合（见随钻测量定向钻进系统图和钻头照片）
（1）钻杆：
使用的有两种钻杆：
第一种是Φ73mm中心通缆钻杆。
该钻杆具有以下特点：
①钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊接与钻杆相连，钻杆外径为Φ73mm，内径为Φ59mm，而两端接头的内径为Φ55mm，这样既增加了钻杆易损部位的强度而又不浪费材料。
②在测量钻孔轨迹的过程中，通缆钻杆与YHD1-1000型矿用有线随钻测斜仪配合使用能够实现孔底钻孔参数的即时随钻测量。
③该钻杆刚性好、抗弯扭能力强，设计强度既可满足孔底马达钻进要求又可满足孔口动力回转钻进要求。
第二种是Φ73mm无磁钻杆。
材料选用无磁性的铍铜。
主要用于钻孔测斜时放置测量仪器，以避免普通刚性钻杆对测量方位角造成的干扰，保证测量数据准确。
①螺杆钻具：
螺杆钻具主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三部分组成。
②钻头：
第一种是Φ96mm平底烧结胎体式金刚石复合片钻头；第二种是Φ96mm/Φ153mm扩孔钻头。
③随钻测量系统：
采用YHD1-1000型随钻测量系统，用于定向钻孔施工过程中随钻测量钻孔的倾角、方位角等主要参数，实现钻孔参数、轨迹的即时显示，便于施钻人员及时了解钻孔施工情况，并及时调整工具面向角和工艺参数，使钻孔尽可能按设计轨迹延伸。
四、钻孔工程量统计和施工顺序及工期安排
钻场
孔号（标高m）
孔深（m）
岩孔
分支点
分支孔深（m）
总进尺（m）
A
钻场
1780水平二1上层煤南翼钻孔
小计
578
1#孔（0m）
578
578
B
钻场
1780水平二1层煤北翼钻孔
5000
2#孔（0m）
1000
1000
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