松軟煤層穿層定向長鉆孔鉆進工藝研究

呂高磊，王志敏

(山西晉煤集團 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046605)

鉆孔抽采技術(shù)是礦井瓦斯治理的重要手段之一。松軟煤層的長鉆孔抽采面臨諸多鉆進技術(shù)難題[1]，河南、貴州、安徽、重慶、山西等地的松軟煤層礦井、高突礦井一般采用底抽巷穿層鉆孔并配套相應(yīng)的水力割縫、水力壓裂、水力掏煤等卸壓增透技術(shù)進行瓦斯抽采及消突治理工作[2-6]，上述使用普通鉆機施工的穿層鉆孔的長度一般為20～50m，鉆孔煤層段長度均在鉆孔總長度的30%以下，單孔的影響范圍也僅限于抽采半徑范圍內(nèi)。西安煤科院在晉城礦區(qū)的部分礦井利用千米定向鉆機在底抽巷施工梳狀鉆孔[7]進行瓦斯抽采，單個鉆孔的覆蓋范圍，提升了復(fù)雜區(qū)域煤層的治理能力。在晉城礦區(qū)的北部區(qū)域的趙莊煤業(yè)，煤層松軟，鉆孔成孔難度大，主要采用“底抽巷穿層鉆孔+本煤層順層鉆孔”進行瓦斯抽采[8]，帶來了底抽巷布置數(shù)量多、施工進度慢、成本高、抽—掘—采銜接緊張等問題。此外，探索的梳狀鉆孔施工工藝，將主孔布置在距離#煤層底板以下3m左右的層位，主孔長度在300m以上[9]，每隔30m開分支，百米鉆孔抽采量比本煤層鉆孔提高近3倍，但單孔的煤層段有效抽采長度占比僅為10%～20%，鉆孔利用率低。近年來，隨著松軟煤層施工裝備的發(fā)展和工藝的優(yōu)化[10]，趙莊煤業(yè)也在逐步探索穿層定向長鉆孔施工工藝技術(shù)，努力實現(xiàn)松軟煤層區(qū)域遞進式抽采[11，12]或者延長穿層鉆孔長度[13，14]。通過不斷試驗和優(yōu)化，現(xiàn)階段穿層鉆孔最長孔深達到了150m，本文以趙莊煤業(yè)3#煤層穿層定向長鉆孔施工工藝探索試驗為例進行具體介紹。

1 試驗區(qū)域概況

1.1 煤層基礎(chǔ)參數(shù)

趙莊煤業(yè)主采3#煤層，地質(zhì)構(gòu)造類型為復(fù)雜，本次試驗區(qū)域煤層瓦斯含量在8.5 ～14.6m3/t，煤層堅固性系數(shù)f值在0.44～0.6，煤層透氣性系數(shù)最低達0.4，鉆孔瓦斯衰減系數(shù)最高達0.29，屬于松軟低透難抽煤層。

1.2 礦井瓦斯治理現(xiàn)狀

針對瓦斯抽采，趙莊煤業(yè)早期探索試驗千米定向鉆孔技術(shù)，受塌孔壓鉆等因素制約，鉆孔成孔效率及抽采效果均無法達到預(yù)期效果。后來，逐步總結(jié)形成了現(xiàn)有的工作面“底抽巷穿層鉆孔+普通順層鉆孔”瓦斯抽采模式，如圖1所示。其中，穿層鉆孔的見煤段最長為17.4m，最短5.7m，一組穿層鉆孔的煤矸比為1∶1.93，穿層鉆孔有效抽采長度低，有必要繼續(xù)開展穿層定向長鉆孔或順層定向長鉆孔技術(shù)工藝的研究，延長鉆孔有效抽采長度，促使煤層瓦斯精準抽采。

圖1 工作面“底抽巷穿層鉆孔+ 普通順層鉆孔”抽采剖面圖

2 穿層定向長鉆孔試驗裝備工藝及效果

2.1 試驗裝備

針對松軟煤層鉆進過程的塌孔、卡鉆等難題，考慮使用滑動定向鉆進工藝、復(fù)合定向鉆進工藝、下篩管工藝相結(jié)合的鉆孔成孔及護孔工藝，并選用了選用了以下鉆進配套裝備。

在鉆機和泥漿泵方面，使用額定轉(zhuǎn)矩1700～4500N·m的ZYWL-4500D鉆機，最大工作高度2020mm，鉆孔傾角-45°～90°，滿足在底抽巷施工的要求。配備BLY180/7礦用履帶泥漿泵，額定工作壓力7MPa，額定工作流量108L/min，滿足螺桿馬達定向鉆進需求。

在鉆具方面，使用抗扭大于12000N·m的?70mm螺旋槽通纜鉆桿，在穩(wěn)定傳輸鉆進信號的同時，滿足滑動定向鉆進和復(fù)合定向鉆進需求，增強松軟煤層鉆進過程中的排渣能力，及時處理卡鉆、埋鉆事故。搭配使用?73mm大通孔三棱螺旋鉆桿，保證下篩管順利，確保護孔效果。

2.2 工藝試驗情況

根據(jù)巷道布置、采掘銜接等現(xiàn)場實際，先后在3318底抽巷、1312底抽巷、2319底抽巷切眼試驗施工穿層定向長鉆孔，共計施工鉆孔78個，邊施工邊完善，鉆孔施工工效、成孔率、抽采瓦斯量等關(guān)鍵參數(shù)在探索試驗不斷提升。

2.2.1 3318底抽巷穿層定向長鉆孔施工

參考底板梳狀鉆孔施工工藝，在3318底抽巷設(shè)計施工穿層定向長鉆孔為一個主孔、三個分支孔，如圖2所示。其中，主孔沿煤層底板以下2m左右施工并間隔24m左右開分支進入煤層。施工巖層孔時，塌孔問題不嚴重，采用滑動定向鉆進工藝即可。施工煤孔時，采用復(fù)合定向鉆進工藝，克服松軟煤層鉆進的塌孔、壓鉆等問題。

圖2 3318底抽巷穿層定向長鉆孔設(shè)計圖

在第一次探索試驗中，3318底抽巷共計施工4個鉆孔，具體見表1，總進尺682m，共用時42d，平均鉆進工效16.2m/d，煤段總進尺268m，鉆孔煤矸比值平均為1∶1.54。詳見表1。成孔效果最好的4#鉆孔實鉆軌跡剖面如圖3所示，本次探索試驗中無下篩管工藝。

在3318底抽巷施工過程中，主要存在問題：①煤矸交界面塌孔嚴重，見煤后受頻繁塌孔影響，成孔難度大；②煤層傾向下栽幅度大，定向鉆機施工大角度下行孔，不利于排渣，難以保證鉆具安全，進而難以保證煤段長度。

表1 3318底抽巷定向鉆孔施工參數(shù)

圖3 3318底抽巷4#穿層定向長鉆孔實鉆軌跡剖面圖

2.2.2 1312底抽巷穿層定向長鉆孔施工

根據(jù)3318底抽巷穿層定向長鉆孔施工經(jīng)驗，在1312底抽巷繼續(xù)探索施工穿層定向長鉆孔。鉆孔(?98mm)見煤后，對鉆孔巖孔段進行擴孔(?113mm)，保證后續(xù)排渣通道順暢，擴孔后繼續(xù)沿煤層施工定向鉆孔直至設(shè)計孔深；見軟煤后，定向施工過程中孔內(nèi)壓力大，無法正常進鉆時，更換三棱鉆桿旋轉(zhuǎn)施工，進鉆到硬煤段5m左右退鉆，再更換定向進裝備鉆進至150m。施工煤孔時直接施工主孔進入煤層，不開分支孔，減少在煤巖交接面施工的塌孔次數(shù)。設(shè)計如圖4所示。

圖4 1312 底抽巷穿層定向長鉆孔設(shè)計圖

1312底抽巷區(qū)域共計施工鉆孔41個，總進尺5703m，平均單臺工效20.7m/d，煤段總進尺3296.5m，鉆孔煤矸比值1∶0.73。煤孔段長度達到80m以上的鉆孔28個，成孔率68.3%，同時實施下管護孔工藝，進行固孔，避免塌孔問題。成孔效果最好的4個鉆孔的施工參數(shù)見表2。

表2 1312底抽巷定向鉆孔施工參數(shù)

長度最長的2#-4#孔，具體施工工藝：滑動定向鉆進施工至48m見煤，見煤傾角4.18°，孔內(nèi)壓力大，退鉆。更換三棱中空鉆桿+?113mm開閉鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進至60m見硬煤，退鉆。更換馬達定向施工到132m(114～120m矸)，退鉆。更換更換三棱中空鉆桿旋轉(zhuǎn)施工到155m，退鉆。施工煤段101m，掩護長度100.6m，煤矸比例1∶0.53，在三棱中空鉆桿內(nèi)下?32mm花管155m，退鉆，鉆孔內(nèi)繼續(xù)下?75mm花管8m，下?75mm實管44m，在煤矸交界面形成二次護孔。實際成孔如圖5所示。

圖5 1312底抽巷2#-4#穿層定向長鉆孔實鉆軌跡剖面圖

2.2.3 2319底抽巷穿層定向長鉆孔施工

在2319底抽巷施工穿層定向長鉆孔，鉆孔見煤后對鉆孔巖孔段進行擴孔，擴孔后繼續(xù)沿煤層施工定向鉆孔直至設(shè)計孔深；見軟煤后定向施工過程中孔內(nèi)壓力大，無法正常進鉆時，更換三棱鉆桿旋轉(zhuǎn)施工，進鉆到硬煤段5m左右退鉆，再更換定向進鉆到150m，傾角為0°～2°。

2319底抽巷切眼共計施工鉆孔33個，總進尺4820.5m，平均單臺工效32.1m/d，煤段總進尺3188.5m，鉆孔煤矸比值1∶0.51。達到設(shè)計要求的鉆孔28個，成孔率84.8%。表3所示的是成果效果最好的4個鉆孔的施工參數(shù)。

具有代表性的5#孔的具體施工工藝：滑動定向鉆進施工至43m見煤，見煤傾角10.51°，退鉆。采用普鉆旋轉(zhuǎn)施工到80m(58～80m硬煤)，退鉆。采用復(fù)合定向鉆進施工至150m，退鉆。施工煤段107m，掩護傾向長度106.1m，煤矸比例1∶0.4。在中空鉆桿內(nèi)下?32mm花管150m，下?75mm花管28m，?75mm實管32m。如圖6所示。

表3 2319底抽巷定向鉆孔施工參數(shù)

圖6 2319底抽巷5#穿層定向長鉆孔設(shè)計圖

2.2.4 穿層定向長鉆孔施工及抽采效果分析

對于松軟煤層穿層定向長鉆孔效果從施工、抽采、經(jīng)濟效益三方面進行分析。相關(guān)統(tǒng)計見表4—表6。三條底抽巷抽采鉆孔百米鉆孔(煤段)抽采量隨時間變化曲線如圖7所示。

表4 穿層定向長鉆孔工效統(tǒng)計表

表5 定向穿層長鉆孔抽采效果統(tǒng)計表

表6 普鉆穿層鉆孔與定向穿層鉆孔效益對比表

圖7 三條底抽巷抽采鉆孔百米鉆孔(煤段) 抽采量隨時間變化曲線圖

由表4可知，通過工藝探索，趙莊煤業(yè)穿層定向長鉆孔煤矸比由1∶1.54提高至1∶0.51，相較于普通穿層鉆孔，煤孔段長度由17.4m提高到120m左右，煤矸比提高了3.77倍，擴大了穿層鉆孔的單孔覆蓋范圍。

由圖7和表5可知，90d監(jiān)測時間內(nèi)，3318、1312、2319三條底抽巷百米鉆孔(煤段)最高抽采量分別為0.098、0.186、0.227m3/(min·hm)。三條底抽巷百米鉆孔(煤段)平均抽采量分別為0.044、0.058、080m3/(min·hm)，分別是普通穿層鉆孔百米鉆孔(煤段)抽采量0.032m3/(min·hm)的1.35、1.81、2.5倍，鉆孔抽采效果提升明顯。

由表6可知，以100m傾向長度的工作面為例，穿層定向長鉆孔施工，可以為礦井節(jié)省一條100m的中部底抽巷及矸石治理等費用，總計節(jié)約費用261.79萬元。

3 穿層定向長鉆孔施工及下篩管工藝定型

通過三次工藝探索試驗，在現(xiàn)有裝備及煤層賦存等條件下總結(jié)得到適合趙莊煤業(yè)的穿層定向長鉆孔施工工藝。如圖8所示，具體如下：

圖8 穿層定向鉆孔施工工藝示意圖

1)裝備配置方面，具備復(fù)合定向鉆進要求且扭矩在4500N·m以上的定向鉆機+螺旋槽有線通纜鉆桿/三棱螺旋鉆桿+螺桿馬達+隨鉆測量系統(tǒng)等。

2)鉆進工藝方面：①根據(jù)巷道布置層位及煤層傾角，確定合適的開孔傾角及見煤傾角，采用定向鉆機開孔施工至見煤(確保在50m左右見煤)，見煤后繼續(xù)施工；②若定向施工能夠穿過軟煤區(qū)，則繼續(xù)施工至設(shè)計深度，退鉆；③若軟煤區(qū)塌孔嚴重，更換三棱螺旋鉆桿+?113mm鉆頭，旋轉(zhuǎn)擴孔鉆進，進入煤段后慢進洗孔多排渣，穿過軟煤區(qū)見硬煤后，繼續(xù)施工5m左右，退鉆；④更換馬達定向施工，調(diào)整傾角至與煤層傾角基本一致，繼續(xù)施工至設(shè)計深度，退鉆。

為維持鉆孔抽采通道，確保抽采效果，對鉆孔全程下花管，主要采用中空鉆桿+開閉式鉆頭達到全程下管工藝。如圖9所示。

圖9 穿層定向鉆孔下管工藝示意圖

具體為：①中空鉆桿+開閉式鉆頭送鉆至孔底，在中空鉆桿內(nèi)下?32mm花管至孔底，退鉆；②下?50～75mm管，進行二次護孔，其中?50～75mm實管至少下至見煤點以外2m，?50～75mm花管至少下至見煤點以里5～10m(在32mm花管外形成二次護孔，避免煤矸交界面塌孔)。

4 結(jié) 論

通過選配穿層定向長鉆孔施工裝備和現(xiàn)場實施改進，總結(jié)形成了相關(guān)工藝。

1)在施工穿層鉆孔過程中：①塌孔不嚴重，鉆進壓力正常時，采用滑動定向鉆進工藝進行鉆孔施工即可；②在使用滑動定向鉆進工藝施工鉆孔過程中，若鉆進壓力大、塌孔嚴重，需更換三棱鉆桿進行旋轉(zhuǎn)鉆進施工，通過軟煤區(qū)域后，再使用滑動定向鉆進或者復(fù)合定向鉆進至設(shè)計孔深；③鉆孔施工完成后，為防止煤巖交界面及煤層段塌孔，需進行下篩管護孔。其中全孔下入?32mm花管；巖層孔及煤巖交界面區(qū)域再下入?50～75mm花管進行二次護孔，保證鉆孔質(zhì)量。

2)在鉆孔成孔方面，穿層定向長鉆孔孔深最長達到了150m，煤孔段最長達到了120m左右。穿層鉆孔煤矸比提高了3.77倍。

3)在抽采方面，穿層定向長鉆孔百米鉆孔流量達到了0.08m3/(min·hm)穿孔鉆孔百米鉆孔流量提高了2.5倍，單孔流量提高了13.52倍。

4)經(jīng)濟效益方面，以100m傾向長度工作面為例，可節(jié)約費用261.79萬元。