高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)在桃園礦采空區(qū)瓦斯治理中的應(yīng)用

石 浩， 張 杰， 何 樂(lè)

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

淮北礦區(qū)煤層地質(zhì)情況復(fù)雜，瓦斯治理難度大，煤礦工作面回采后采空區(qū)往往富集大量瓦斯氣體，如不及時(shí)有效治理往往會(huì)導(dǎo)致起火、爆炸等災(zāi)難性后果。傳統(tǒng)的采空區(qū)瓦斯治理常采用施工高抽巷及高位鉆場(chǎng)兩種方法，高抽巷施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，一條500 m的工作面高抽巷施工成本往往在數(shù)百萬(wàn)元；采用高位鉆場(chǎng)治理采空區(qū)瓦斯的方法需要每隔一定間距施工多個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆機(jī)來(lái)回多次搬遷施工工程量大，效率低，且采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式施工高位鉆孔，鉆孔軌跡難以控制，有效孔段距離短，廢孔率高，采空區(qū)瓦斯抽采效果差。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究采用螺桿馬達(dá)結(jié)合隨鉆測(cè)量系統(tǒng)定向鉆進(jìn)技術(shù)施工長(zhǎng)距離大直徑高位定向鉆孔，用于煤礦采空區(qū)瓦斯抽采治理。煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在本煤層瓦斯抽采、地質(zhì)異常體探測(cè)、水害治理等[1-5]方面得到廣泛應(yīng)用，定向鉆技術(shù)具有鉆孔距離長(zhǎng)、軌跡精確可控、一孔多分支等優(yōu)勢(shì)[6-8]，利用定向鉆技術(shù)施工高位頂板長(zhǎng)鉆孔僅需施工一個(gè)鉆場(chǎng)，并通過(guò)軌跡控制技術(shù)可以保證鉆孔軌跡在煤層頂板裂隙帶內(nèi)延伸，定向先導(dǎo)孔施工完成后2次擴(kuò)孔，施工效率高，鉆孔孔徑大，抽采效果好，可有效保障煤礦采空區(qū)瓦斯安全高效治理。

1 定向鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 鉆進(jìn)裝備

本次施工長(zhǎng)距離大直徑定向高位頂板鉆孔的主要裝備有：中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的ZDY6000LD型定向鉆機(jī)[9](見(jiàn)圖1)、FMC460型泥漿泵、YHD1-1000型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、?73 mm通纜鉆桿、?73 mm通纜水便、?89 mm普通水便，?73mm上/下無(wú)磁鉆桿、?89mm外平鉆桿、?98mmPDC弧角定向鉆頭，?133/94 mm擴(kuò)孔鉆頭、?153/133 mm擴(kuò)孔鉆頭、?73 mm 1.25°單彎螺桿馬達(dá)等。

圖1 ZDY6000LD型定向鉆機(jī)

1.2 高位頂板定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)

1.2.1 鉆孔設(shè)計(jì)原則

鉆孔設(shè)計(jì)要遵循以下基本原則：根據(jù)工作面長(zhǎng)度、鉆場(chǎng)位置及鉆機(jī)施工能力設(shè)定鉆孔孔深；根據(jù)工作面走向及布孔方式設(shè)計(jì)主勘探線方位；根據(jù)鉆孔有效抽采半徑布置鉆孔間距；根據(jù)冒落帶及裂隙帶高度計(jì)算公式結(jié)合煤層上部巖層情況，確定裂隙帶標(biāo)高，將鉆孔設(shè)計(jì)布置在工作面回采后裂隙帶底部；合理設(shè)置孔口段傾角及方位，使鉆孔快速進(jìn)入目標(biāo)層位，提高目標(biāo)層位鉆遇率；每隔一定間距預(yù)留分支點(diǎn)。

1.2.2 鉆孔軌跡控制技術(shù)

定向鉆工作原理是螺桿鉆具工作時(shí)靠高壓水驅(qū)動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石，而螺桿鉆具外管及鉆桿柱不回轉(zhuǎn)，螺桿鉆具前端布置有彎外管，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量鉆孔參數(shù)并及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，從而可達(dá)到定向鉆進(jìn)目的。定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中，通過(guò)探管可隨鉆測(cè)量鉆孔傾角、方位及工具面向角(螺桿鉆具彎頭朝向)，通過(guò)鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿一定角度達(dá)到調(diào)整工具面實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)目的，并根據(jù)實(shí)測(cè)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間上下、左右偏差決定采用降斜、穩(wěn)斜、增斜、降方位、增方位等不同軌跡控制方法確保鉆孔實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)。每50～80 m間距通過(guò)先快速降斜(工具面向角調(diào)整為180°)再快速增斜(工具面向角調(diào)整為0°)的施工方法預(yù)留分支點(diǎn)。

1.2.3 開(kāi)分支技術(shù)

分支鉆孔是指在施工過(guò)程中為了繞開(kāi)遇到的斷層、破碎及泥巖等不穩(wěn)定地層，或在不影響主孔施工的過(guò)程中去探測(cè)附近地層(標(biāo)志層)走向變化等目的從主孔中通過(guò)控速鉆進(jìn)等方法側(cè)鉆出一條新的鉆孔。在高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔施工中可有意通過(guò)開(kāi)分支技術(shù)增大鉆孔覆蓋范圍，增加瓦斯量抽采，減少開(kāi)孔個(gè)數(shù)，節(jié)省材料，提高施工效率。

1.3 施工流程

高位頂板長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)主要包括開(kāi)孔及孔口裝置安裝、定向鉆進(jìn)、開(kāi)分支等工藝，施工流程圖如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

1.3.1 開(kāi)孔及孔口裝置安裝方法

根據(jù)設(shè)計(jì)方位、傾角，一開(kāi)采用?98 mm鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)12 m，然后采用?153/94 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)至12 m，下入9 m ?127 mm壁厚10 mm的孔口管，采用水泥砂漿或聚氨酯封孔。孔口管外露部分長(zhǎng)度為15 cm，連接孔口四通，分別連接負(fù)壓管路及孔口除渣器等，待孔口水泥砂漿凝固后下入定向鉆具組合，進(jìn)行定向鉆進(jìn)。

1.3.2 定向鉆進(jìn)技術(shù)方法

定向鉆進(jìn)過(guò)程應(yīng)保證鉆孔軌跡沿著設(shè)計(jì)軌跡穿行。一般每6 m/3 m測(cè)量1次鉆孔軌跡，根據(jù)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差調(diào)整螺桿鉆具工具面向角，當(dāng)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差>2 m時(shí)采用調(diào)整工具面連續(xù)造斜，快速逼近設(shè)計(jì)；當(dāng)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡上下(或左右)偏差<1 m時(shí)，采用調(diào)整工具面穩(wěn)斜鉆進(jìn)，慢速靠近設(shè)計(jì)。施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制給進(jìn)壓力，并密切觀察各儀器儀表參數(shù)及孔口返水情況，一旦出現(xiàn)憋泵、返水返渣等異常情況應(yīng)降低給進(jìn)速度，加大泵量沖孔，如破碎帶返渣掉塊過(guò)多過(guò)大，頻繁憋泵多次處理無(wú)法通過(guò)，可采取退鉆至安全孔段，開(kāi)分支繞過(guò)不穩(wěn)定地層孔段。

1.3.3 開(kāi)分支方法

開(kāi)分支時(shí)選取傾角為持續(xù)增長(zhǎng)孔段(最好為正值孔段)，將工具面向角調(diào)整為180°，采用減壓給進(jìn)、控時(shí)鉆進(jìn)的方法，鉆進(jìn)速度根據(jù)巖層軟硬情況為40～60 min每行程，巖層較硬的情況下適當(dāng)降低給進(jìn)速度，待給進(jìn)壓力持續(xù)增加、泥漿泵壓力略有增加、鉆孔返水顏色變深可判斷出分支已開(kāi)出。

1.3.4 擴(kuò)孔

為增加瓦斯抽采效果，增大裂隙導(dǎo)通范圍，?98 mm高位定向長(zhǎng)鉆孔施工完成后，提鉆更換?89 mm外平鉆桿依次采用?133/94 mm、?153/133 mm擴(kuò)孔鉆頭，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔至孔底。

2 應(yīng)用情況

2.1 桃園礦Ⅱ1029工作面概況

桃園煤礦Ⅱ2采區(qū)位于補(bǔ)3線北100 m，南至各煤層工廣煤柱邊界，淺部以-520 m為界，深部至-800 m水平。采區(qū)走向長(zhǎng)約2500 m，傾斜寬約1600 m，面積約4.5 km2。采區(qū)共劃分為四個(gè)區(qū)段雙翼布置工作面，自上而下每個(gè)區(qū)段的底板標(biāo)高分別為：-540、-600、-665、-730、-800 m；區(qū)段平均斜長(zhǎng)170 m。本區(qū)開(kāi)采煤層主要有72號(hào)煤、82號(hào)煤及10號(hào)煤，10號(hào)煤層兩極厚度0.54～4.04 m，平均厚3.22 m，為較穩(wěn)定煤層，煤層頂板為泥巖、粉砂巖和砂巖，巖性變化復(fù)雜，砂巖與泥巖、粉砂巖常相間出現(xiàn)，底板多為泥巖及粉砂巖。

本次計(jì)劃在1029工作面主采煤層10號(hào)煤上部施工3個(gè)高位頂板定向長(zhǎng)鉆孔，用于治理工作面回采后采空區(qū)瓦斯問(wèn)題，1029工作面10號(hào)煤頂板地質(zhì)情況如表1所示。

表1 1029工作面10號(hào)煤頂板地質(zhì)情況

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)采空區(qū)瓦斯富集規(guī)律，在1029工作面回風(fēng)巷附近頂板上隅角設(shè)計(jì)施工3個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔A1、A2、A3用于治理1029工作面10號(hào)煤采空區(qū)瓦斯，設(shè)計(jì)距1029回風(fēng)巷依次為15、25、35 m，終孔位置距10號(hào)煤上為15～20 m，設(shè)計(jì)孔深均為500 m，孔徑153 mm。高位定向長(zhǎng)鉆孔布置圖如圖3所示。

圖3 1029工作面高位孔布置圖

施工鉆場(chǎng)位于10號(hào)煤層頂板5.5 m，A1、A2、A3鉆孔布孔間距10 m、開(kāi)孔方位角差7°、距鉆場(chǎng)底1.5 m，均以?xún)A角8°開(kāi)孔，施工地層需先穿過(guò)泥巖，進(jìn)入中砂巖，施工孔段巖層主要為中砂巖，進(jìn)入設(shè)計(jì)層位后傾角應(yīng)控制在0°。

2.3 鉆孔施工情況

A1鉆孔開(kāi)孔后快速爬升至目標(biāo)層位10號(hào)煤層頂板20 m，鉆進(jìn)至369 m時(shí)因泥巖縮徑，提鉆至303 m處開(kāi)分支A1-1，降低鉆孔高度5 m，繞過(guò)存在縮徑風(fēng)險(xiǎn)的泥巖孔段，繼續(xù)鉆進(jìn)至477 m處時(shí)憋泵不返水，提鉆至438 m處有卡鉆現(xiàn)象，繼續(xù)提鉆至387m時(shí)壓力恢復(fù)正常，下鉆至450 m時(shí)開(kāi)分支A1-2，繼續(xù)施工鉆進(jìn)孔深531 m，完成A1定向鉆孔施工。

判斷A1孔施工后期進(jìn)入中砂巖上部泥巖層位，存在塌孔及縮徑等難以成孔因素，為避開(kāi)存在縮徑風(fēng)險(xiǎn)的泥巖孔段，將A2鉆孔設(shè)計(jì)施工高度降低至煤層頂板18 m，施工至372 m處再次遇到塌孔孔段，提鉆至282 m處開(kāi)分支A2-1，將鉆孔施工高度降低至煤層頂板15 m，施工至465 m，遇塌孔，多次沖孔處理不過(guò)，提前終孔。

根據(jù)A1及A2鉆孔施工情況，再次調(diào)整A3鉆孔施工高度至煤層頂板12 m位置，鉆孔主要分布在較為穩(wěn)定的中砂巖，施工至510 m順利終孔。

高位定向頂板長(zhǎng)鉆孔完成后，依次用?133/94 mm擴(kuò)孔鉆頭、?153/133 mm擴(kuò)孔鉆頭將鉆孔擴(kuò)孔至孔徑153 mm。A1、A2、A3鉆孔平面投影圖、垂直剖面投影圖如圖4、圖5所示。

2.4 瓦斯治理效果

根據(jù)工作面回采過(guò)程采空區(qū)瓦斯監(jiān)測(cè)，高位定向鉆孔瓦斯抽采純量0.06～31.58 m3/min，抽采濃度0.77%～70.47%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸畲?.35%，未出現(xiàn)采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸耷闆r，工作面順利、安全回采，有效保障了采區(qū)安全生產(chǎn)。

圖4 鉆孔軌跡平面投影圖

圖5 鉆孔軌跡垂直剖面投影圖

3 結(jié)論

(1)總結(jié)了一套適用于采空區(qū)瓦斯治理的高位頂板長(zhǎng)鉆孔施工方法，利用螺桿鉆具結(jié)合隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的定向鉆進(jìn)技術(shù)可精確控制鉆孔軌跡，保證鉆孔在工作面回采后裂隙帶內(nèi)延伸，有效地保障了瓦斯的抽采效果。

(2)利用該方法在桃園礦Ⅱ1029工作面頂板施工了3個(gè)大直徑高位頂板定向長(zhǎng)鉆孔，孔深可達(dá)500 m以深，布孔層位在10號(hào)煤層頂板12～15 m成孔性最好。

(3)桃園礦Ⅱ1029工作面在回采過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)瓦斯超限情況，有效保障了煤礦安全高效生產(chǎn)。