底板梳狀定向鉆孔技術(shù)理論與實(shí)踐

管強(qiáng)盛

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

含高瓦斯的突出煤層，一直是困擾我國(guó)煤礦井下鉆探技術(shù)發(fā)展的難題，國(guó)內(nèi)煤礦一般采用底板穿層瓦斯抽采孔對(duì)突出煤層進(jìn)行區(qū)域治理，但底板穿層鉆孔遇煤率低，鉆孔軌跡無(wú)法控制而可能產(chǎn)生瓦斯治理盲區(qū)，鉆孔有效利用率低，且需要專用抽采巷道，造成施工量大、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大[1-2]。為解決這一難題，姚寧平等人提出了梳狀定向鉆孔理論與技術(shù)，為此主要從梳狀定向鉆孔中的底板梳狀定向鉆孔這一類型展開(kāi)了理論和實(shí)踐研究。

1 底板梳狀定向鉆孔技術(shù)應(yīng)用理論

1）底板梳狀定向鉆孔技術(shù)。底板梳狀定向鉆孔以先進(jìn)的隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)為手段，通過(guò)在地質(zhì)條件相對(duì)好的煤層底板中先施工定向鉆孔，再利用定向開(kāi)分支技術(shù)，間隔一定距離，從巖孔中開(kāi)分支進(jìn)入煤層，主孔分布在煤層底板巖層中，通過(guò)分支孔抽采煤層瓦斯，主要用于鄰近煤層瓦斯預(yù)抽和防突、掩護(hù)煤層巷道掘進(jìn)與巷道超前勘探等領(lǐng)域[3]。

2）底板梳狀定向鉆孔施工形式。底板梳狀定向鉆孔一般采用“前進(jìn)式”開(kāi)分支形式進(jìn)行施工，即先施工第1個(gè)分支孔，第1個(gè)分支孔施工至預(yù)定深度之后退至適當(dāng)位置開(kāi)分支施工第2個(gè)分支，依次向前遞進(jìn)，直至施工到設(shè)計(jì)需要孔深[4]，底板梳狀鉆孔施工順序示意圖如圖1。具體施工順序如下：ABC段（1#分支孔）—DEF段（2#分支）—GHI段（3#分支）—JKL段（4#分支）—MNO段（5#分支）— … —設(shè)計(jì)終孔孔深，施工完成后，AD—DG—GJ—JM— …即構(gòu)成主孔孔段。

圖1 底板梳狀鉆孔施工順序示意圖

2 底板梳狀定向鉆孔技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵

2.1 分支點(diǎn)位置的選擇

開(kāi)分支技術(shù)主要利用螺桿鉆具彎頭朝向、組合鉆具重力結(jié)合作用，在原孔內(nèi)向下側(cè)鉆開(kāi)孔，開(kāi)分支的先決技術(shù)即分支點(diǎn)位置的選擇技術(shù)，開(kāi)分支位置選擇與成孔幾率關(guān)系如圖2～圖5。圖中θA、θB表示點(diǎn)A、點(diǎn)B處的傾角。

圖2 分支點(diǎn)位置選擇情況Ⅰ

圖3 分支點(diǎn)位置選擇情況Ⅱ

圖4 分支點(diǎn)位置選擇情況Ⅲ

圖5 分支點(diǎn)位置選擇情況Ⅳ圖

由圖2～圖5可以看出，分支點(diǎn)位置應(yīng)選擇在鉆孔傾角增加且盡可能變化大的地方，這樣有利于提高開(kāi)分支的成功率和開(kāi)分支的效率。

2.2 分支孔開(kāi)孔施工工藝

由于巖層硬度較煤層大得多，傳統(tǒng)煤層開(kāi)分支采用較小降斜幅度的開(kāi)分支工藝在巖層不完全適用，此時(shí)需利用螺桿鉆具最大降斜幅度（即工具面向角180°）連續(xù)向下造斜開(kāi)分支的方式[7]，連續(xù)造斜時(shí)需嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度和泥漿泵泵量，分支孔前1～1.5 m鉆速控制為0.5～1 m/h，且重復(fù)鉆進(jìn)1次；1.5～3 m內(nèi)鉆速控制約1～2 m/h；3～6 m內(nèi)鉆速控制約3～6 m/h。對(duì)于硬度較小的巖層，開(kāi)分支鉆速相應(yīng)選取較大值，硬度較大的巖層，鉆速相應(yīng)的選取較小值，開(kāi)分支過(guò)程中注意觀察鉆孔返水及鉆機(jī)和泥漿泵壓力變化，鉆孔返水由清變渾濁，泥漿泵壓力增加近0.5 MPa，給進(jìn)壓力增加超過(guò)0.2 MPa時(shí)，說(shuō)明分支孔有開(kāi)成功跡象，此時(shí)可停泵采用副泵緩慢給進(jìn)的形式來(lái)判斷分支孔是否開(kāi)出，最后以分支孔第1個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與原鉆孔對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的偏差大小來(lái)準(zhǔn)確判斷開(kāi)分支是否成功。

2.3 煤孔段分支孔的有效搭接

煤孔段分支孔的有效搭接，實(shí)現(xiàn)煤孔段鉆孔的有效覆蓋，減少或避免瓦斯治理盲區(qū)是底板梳狀孔技術(shù)解決一般底板穿層鉆孔存在問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)所在。其關(guān)鍵技術(shù)在于分支孔間距的確定、分支孔巖孔段的軌跡控制。

1）分支孔間距的確定。分支孔間距的確定主要考慮鉆進(jìn)工藝條件，即鉆具的造斜能力，由于采用螺桿馬達(dá)進(jìn)行造斜，且目前使用的螺桿馬達(dá)彎頭角度為1.25°[5]，對(duì)于1.25°螺桿馬達(dá)理論上造斜需要6～12 m（圖1中①、④），中間軌跡調(diào)整段需要12～15 m（圖1中②、⑤），預(yù)留下1個(gè)分支點(diǎn)段需要6～9 m(圖1中③、⑥)，因此2分支點(diǎn)之間的理論距離為24～36 m，實(shí)際施工中還應(yīng)考慮鉆進(jìn)需要，選擇合適的分支孔間距，盡量考慮大的分支孔間距，減少巖孔段進(jìn)尺。

2）分支孔巖孔段的軌跡控制。分支孔巖孔段的軌跡控制關(guān)系到鉆孔入煤的位置，它是鉆孔煤孔段分支孔能否實(shí)現(xiàn)有效搭接的關(guān)鍵因素。煤礦井下定向鉆軌跡控制主要通過(guò)分析隨鉆測(cè)量軟件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出鉆孔在目標(biāo)層的空間位置[6-7]，對(duì)比鉆孔設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)，利用不同工具面向角（螺桿馬達(dá)彎管朝向）情況下螺桿鉆具的定向造斜規(guī)律，通過(guò)選擇合理的工具面向角來(lái)控制鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)方向延伸。根據(jù)一般螺桿鉆具的造斜能力，總結(jié)出了工具面向角造斜規(guī)律[8-10]，在實(shí)際定向鉆進(jìn)中，在此基礎(chǔ)上結(jié)合鉆孔及地層情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同軌跡控制需求。

3 底板梳狀鉆孔技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

薛湖煤礦29采區(qū)屬煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》以及河南省“雙十條”及河南省“不得在突出煤層中進(jìn)行防突治理”的相關(guān)規(guī)定要求，需在底板(頂板)巖巷中施工穿層鉆孔進(jìn)行區(qū)域治理，底板（頂板）巖巷施工工程量大、采掘工作面準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、安全管理難度大。本安全、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，決定通過(guò)底板梳狀定向鉆孔技術(shù)對(duì)29采區(qū)29020風(fēng)巷進(jìn)行條帶瓦斯治理，達(dá)到區(qū)域消突的目的。

3.1 薛湖礦29020風(fēng)巷煤層及瓦斯賦存情況

29020風(fēng)巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)范圍煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，呈一走向近東西，傾向北的單斜構(gòu)造，煤層傾角為-6°～5°，煤層厚度 2～3 m，平均厚度2.5 m，掘進(jìn)期間可能有未知斷層發(fā)育。29020風(fēng)巷煤層為二2煤層，瓦斯壓力0.69～1.35 MPa，瓦斯含量 6.15～14.10 m3/t，堅(jiān)固性系數(shù)為 0.22～0.41，煤層透氣性系數(shù)為0.086 1 m3/（MPa2·d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38 d-1，煤層厚度薄、煤層松軟、瓦斯壓力大、煤層走向和傾向上角度變化大，屬鉆進(jìn)復(fù)雜煤層。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

在29020風(fēng)巷巷道口底板下方不小于7 m處做鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)布置2個(gè)底板梳狀定向鉆孔，鉆孔主孔布置在煤層以下2～6 m范圍內(nèi)，該層為砂巖層，地層穩(wěn)定，鉆孔主孔直徑120 mm，控制煤段長(zhǎng)度不小于500 m，分支孔之間實(shí)現(xiàn)有效搭接，鉆孔水平間距5 m，其中煤段進(jìn)尺約1 000 m，巖段進(jìn)尺約3 000 m，2個(gè)鉆孔各開(kāi)15個(gè)分支，分支孔設(shè)計(jì)穿煤長(zhǎng)度33 m。鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3.3 鉆孔施工

1）鉆具組合。定向鉆進(jìn)時(shí)采用的鉆具組合形式為有線隨鉆測(cè)量鉆具組合，組合形式為：φ120 mm定向鉆頭+φ89 mm螺桿馬達(dá)+馬達(dá)與下無(wú)磁間無(wú)磁鋼接手+0.5 m φ89 mm 探管+0.3 m φ89 mm 探管定位接手+3 m φ89 mm上無(wú)磁+φ89 mm通纜鉆桿+…+φ89 mm通纜鉆桿+φ89 mm通纜水便。

2）施工統(tǒng)計(jì)。薛湖煤礦29020風(fēng)巷底板梳狀孔2017年9月至2018年1月之間共施工完成2個(gè)鉆孔，累計(jì)開(kāi)分支35個(gè)，總計(jì)進(jìn)尺3 790.5 m，其中1#孔進(jìn)尺2 053.5 m(煤孔段615 m，巖孔段1 438.5 m），在巖層中開(kāi)分支20個(gè)，平均穿煤長(zhǎng)度30.7 m；2#孔進(jìn)尺1 737 m（煤孔段569.5 m，巖孔段1 167.5 m），在巖層中開(kāi)分支15個(gè)平均穿煤長(zhǎng)度38 m，鉆孔軌跡如圖6和圖7。從實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)和軌跡可以看出，分支孔平均穿煤長(zhǎng)度在30 m以上，較普通穿層鉆孔有了很大提升；分支孔間距在20～40 m之間，間距大小與上一個(gè)分支孔煤孔段長(zhǎng)度基本成正比例關(guān)系，因此為了節(jié)省巖孔段進(jìn)尺，應(yīng)采取措施將穿煤長(zhǎng)度盡可能延長(zhǎng)；2個(gè)鉆孔從首次見(jiàn)煤到終孔都很好的實(shí)現(xiàn)了搭接，避免了煤孔段治理盲區(qū)的存在，為提高瓦斯治理效率提供了有力的保障。

圖6 1#孔鉆孔軌跡圖

圖7 2#孔實(shí)鉆軌跡圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)實(shí)踐證明，底板梳狀定向鉆孔由于其軌跡可控制，能有效提高穿煤長(zhǎng)度，最大限度地實(shí)現(xiàn)鉆孔煤段的完全覆蓋，為提高煤層瓦斯抽采效果提供了有力的保障。

2）通過(guò)理論分析與實(shí)踐應(yīng)用，確定了一套分支孔布孔工藝與開(kāi)分支施工工藝，即分支點(diǎn)應(yīng)選在傾角增大且變化幅度大的地方；分支孔的間距應(yīng)控制在27～36 m，具體間距根據(jù)上一個(gè)分支孔的穿煤長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；采用連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)形式在普氏系數(shù)6～8的巖層中開(kāi)分支時(shí)將時(shí)間控制在6～9 h，開(kāi)分支成功率能達(dá)到100%。

3）在施工中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層松軟、瓦斯壓力高時(shí)，分支孔穿煤長(zhǎng)度很難保證，同時(shí)也會(huì)影響下一個(gè)分支孔的開(kāi)孔與施工，所以還應(yīng)在如何提高突出薄煤層，特別是煤層硬度系數(shù)小的煤層穿煤長(zhǎng)度方面進(jìn)行更多針對(duì)性的研究，以提高底板梳狀定向鉆孔的應(yīng)用效果。