保護層開采卸壓瓦斯抽采定向鉆孔施工關鍵技術

王 慶，金 鑫

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瓦斯氣體是煤炭開采的伴生物，作為安全生產(chǎn)的重大隱患大量存在于各煤礦的生產(chǎn)過程中，井下瓦斯爆炸事故時有發(fā)生，嚴重威脅著人的生命健康和安全生產(chǎn)[1，2]。同時瓦斯空排造成了能源的巨大浪費，并且對環(huán)境產(chǎn)生了破壞，瓦斯發(fā)電是煤礦瓦斯利用的重要途徑，不僅可以達到節(jié)能減排的效果，還可以保護生態(tài)環(huán)境，促進煤礦行業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展[1，3]。金鑫[4]等研究表明采用井下定向鉆進技術施工煤層底板注漿加固定向鉆孔的工藝方法能實現(xiàn)煤層底板超前探測和治理，確保礦區(qū)下保護煤層安全開采，但該技術未進行瓦斯治理研究。李海濤，張哲[5，6]等僅研究了下保護層開采中的底板卸壓深度、卸壓效果，并沒有針對下保護層卸壓技術的實現(xiàn)工藝進行研究。現(xiàn)以定向鉆進技術在下峪口煤礦卸壓瓦斯抽采工程實踐為基礎，對保護層開采卸壓瓦斯抽采定向長鉆孔施工關鍵技術進行重點研究，研究成果可為類似礦井瓦斯防治及利用提供技術理論及實踐依據(jù)。

1 礦井概況及地層特征

韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦位于陜西渭北石炭-二疊紀煤田東部邊緣，井田總體構造形態(tài)為走向NE、傾向WW、平均傾角-3°波狀起伏的單斜構造。主采煤層為山西組的2#、3#煤層，其中3#煤層為突出煤層。工作面2#煤平均煤厚1.0m，工作面頂板依次為泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖，局部含0～0.5m煤線；底板為粉砂質泥巖、細砂巖、粉砂巖及分砂質泥巖，局部含0～0.3m煤線，與3#煤層間距平均為14m。

目前礦井將2#煤層作為3#煤層的重要鄰近上保護層先行開采。當2#煤層先行3#煤層開采時，底板巖層移動、煤層膨脹卸壓，引起3#煤層中70%以上的瓦斯由吸附狀態(tài)解吸為游離狀態(tài)，通過巖層底板裂隙逸散涌出到工作面及采空區(qū)[7]。但常規(guī)鉆孔對底板卸壓瓦斯進行抽采的過程中，存在鉆孔數(shù)量多、輔助維護管理成本大、后期孔口封閉不嚴、抽采效果衰減嚴重等問題，制約著生產(chǎn)進度及瓦斯抽采利用率低。針對上述問題，引用井下定向鉆進設備及技術，利用定向鉆孔對卸壓瓦斯進行抽采利用，并對施工中的關鍵技術進行研究探討，以期為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術保障。

2 定向鉆進工藝與設計

2.1 機具選型

項目施工主要設備包括動力設備、配套鉆具及測量系統(tǒng)等部分，設備以及配套鉆具見表1。目前該型號定向鉆探設備廣泛應用于地質構造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領域[8-18]。

表1 施工設備型號及用途

相比常規(guī)鉆進，定向鉆進技術所需鉆場及鉆孔數(shù)量少，減少搬遷鉆機設備的次數(shù)，降低工人勞動強度；由于定向鉆進技術軌跡可控，可以盡可能增加在目標層中的延伸長度，具有覆蓋區(qū)域廣、盲區(qū)少、有效抽采距離長的特點，因此定向鉆孔抽采效果好，可實現(xiàn)鉆孔瓦斯集中抽放，最大限度的保障瓦斯抽采效果。

2.2 鉆進工藝流程

定向鉆探裝備選用ZDY6000LD型定向鉆機及配套測量系統(tǒng)，鉆孔造斜選用1.25°彎角螺桿鉆具。泥漿泵車輸出沖洗液經(jīng)通纜鉆具進入螺桿馬達，在馬達進出口形成一定壓差，推動馬達轉子旋轉，通過萬向軸和傳動軸將轉速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達到碎巖的目的。鉆進過程中通過隨鉆測斜數(shù)據(jù)來調(diào)整測量外管的工具面向角，從而改變螺桿彎頭的朝向，使孔內(nèi)傾角和方位基本達到預定目標，最終整個鉆孔軌跡實現(xiàn)定向彎曲的目的。定向設備配套連接工藝如圖1所示，定向鉆進工藝流程如圖2所示。

圖1 定向設備配套連接

圖2 定向鉆進工藝流程

2.3 孔身結構設計

定向鉆孔為二級孔身結構，一級孔身結構主要目的為下入孔口管(?168mm)；二級孔深結構為定向孔段，主要是在目的層位進行定向鉆進，孔徑為?120mm。

1)一級孔身結構鉆具組合。開孔選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；一級擴孔選用“?98mm/?153mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；二級擴孔選用“?153mm/?193mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；孔口管采用?168mm套管下至穩(wěn)定巖層。

2)二級孔身結構鉆具組合。定向鉆進選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm孔底馬達+?89mm下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+?89mm上無磁鉆桿+?89mm通纜鉆桿串”?；剞D透孔鉆進選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm回轉鉆桿串”。定向鉆孔孔深結構設計如圖3所示。

圖3 定向鉆孔孔深結構設計

3 定向鉆孔施工關鍵技術

3.1 大角度開孔技術

工作面地質資料顯示2#煤層下部3～4m為粉砂質泥巖，局部巖體破碎且存在薄煤線及泥巖條帶，定向鉆探施工過程中遇水極易縮徑塌孔。定向鉆孔開孔點選擇在巷道中部，受巷道揭露影響，圍巖較為松散破碎，存在孔內(nèi)事故的風險。針對該地質情況，開孔點盡量選擇在2#煤層下方，開孔角度調(diào)整到-13°～-18°之間，一開鉆進選用?120mmPDC鉆頭結合回轉鉆進工藝，快速斜穿2#煤層及下部易破碎塌孔層位，進入穩(wěn)定的細砂巖層后停止鉆進，依次用?153mm、?193mmPDC鉆頭逐級進行擴孔，下入?168mm地質套管。

應用實踐表明，開孔角度選擇在-14°，即與地層夾角為11°左右最佳，既能減少鉆遇煤層段和破碎區(qū)域孔段，保證套管下入成功，也能減少定向鉆孔后續(xù)施工的拐彎孔段，減小鉆孔彎曲度，大角度開孔如圖4所示。

圖4 大角度開孔

3.2 穩(wěn)壓注漿固管技術

相比常規(guī)鉆孔，定向鉆孔抽采利用周期更長，對套管的密封穩(wěn)固性具有更高的要求。項目采用一級?168mm套管結構，套管下深15m且坐落在穩(wěn)定的巖層中，注漿方法在常見的“兩堵一注”工藝基礎上，增加了孔口預處理、穩(wěn)壓注漿、耐壓試驗等工藝環(huán)節(jié)。

孔口預處理即在注漿之前對孔口周邊較大裂隙先采用棉紗及馬麗散混合充填，再進行水泥噴漿處理。待孔口周邊凝固后采用水灰比1∶1的水泥漿對套管內(nèi)注漿，直至水泥漿從套管外部環(huán)空流出，此時泥漿泵基本不憋壓。由于水泥漿的凝固沉降作用，水泥漿沉積在套管底部，導致近孔口端一段距離為清水，繼續(xù)采用水灰比0.8∶1的稠漿對孔內(nèi)進行穩(wěn)壓循環(huán)補漿，重復以上操作3～4次，直至環(huán)空內(nèi)清水完全排出并返出稠水泥漿。隨著補漿次數(shù)的增加，大部分裂隙已被水泥充填，孔內(nèi)消耗漿液會逐漸減小。通過控制泥漿泵回水閥的關合程度，控制泥漿泵的輸出壓力穩(wěn)定在0.5MPa左右，直至再無漿液消耗后停止注漿，結束注漿工作。

固孔候凝后，用?120mmPDC鉆頭回轉方式掃孔出套管，采用泥漿泵向孔內(nèi)注水憋壓的方式，保持壓力在3.0MPa，持續(xù)時間在20～30min，觀察孔壁及孔口管附近是否存在滲漏現(xiàn)象，如若不漏則說明固孔合格；如若出現(xiàn)滲漏，則需要繼續(xù)采用穩(wěn)壓補漿工藝固孔，直至耐壓試驗合格。

3.3 地層判別技術

本項目定向鉆孔目標層位為3#煤層頂板的砂巖層，由于地層的不均一性及受構造影響，局部地層存在的煤線、泥巖及破碎帶區(qū)域造成孔內(nèi)存在塌孔卡鉆甚至鉆具滅失的風險。定向鉆進采取全斷面切屑方式鉆進，理論上在同一穩(wěn)定地層中，鉆壓隨著孔深的增加而穩(wěn)定增加。針對該特征，采用觀察鉆壓及孔口返出巖屑能快速對地層進行判別，及時調(diào)整施工層位。鉆遇泥巖時，鉆進壓力減小、鉆進速度加快、孔口返出巖屑變?yōu)檎澈隣?；鉆遇堅硬砂巖層時，鉆進壓力增加、鉆進效率降低，孔口返屑為顆粒狀，一般采取適當加大鉆壓、調(diào)整層位、或者更換回轉鉆進方式穿過堅硬巖層。

3.4 快速回轉穿異常區(qū)技術

項目采用有線通纜的滑動定向鉆進技術，優(yōu)點為信號傳輸穩(wěn)定，但鉆具不轉動不利于巖粉的排出，遇到孔內(nèi)地層不穩(wěn)定時，螺桿彎角的震動容易對孔壁造成二次破壞。遇到地層破碎導致的輕微憋泵、卡鉆等問題，可使用快速回轉工藝對異常區(qū)進行孔內(nèi)處理。選取“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”的回轉鉆進方式處理不穩(wěn)定孔段，調(diào)整泥漿泵車排量為320L/min，鉆機鉆壓25～35kN，轉速55～65r/min的強力回轉工藝快速穿過異常區(qū)域，待鉆進設備參數(shù)顯示無異常后，即可更換定向鉆具調(diào)整層位繼續(xù)施工。

3.5 預留分支點技術

當采取強力快速回轉工藝仍不能通過異常區(qū)時，可選用側鉆開分支的方式避開異常地層。根據(jù)施工地層狀況、設計要求和目的等不同，分支孔施工順序可分為“前進式”和“后退式”兩種。實際施工中開分支點一般選取鉆孔軌跡的正角度孔段，調(diào)整工具面為180°，即螺桿馬達彎角朝下，此時鉆孔與螺桿彎角呈大夾角，鉆頭向下不斷反復切削巖層從而形成新的孔段。

預留分支點技術如圖5所示，實踐中鉆孔開孔為-14°，保直段為-4°左右，全孔段皆為負角度，針對負角度孔段開分支較困難問題，采用提前預留分支點工藝，利用定向鉆進技術每間距80～100m在保直段將孔底傾角調(diào)整為3°并保持約10m，隨后調(diào)整為負角度并沿設計軌跡繼續(xù)鉆進。利用該技術能避開施工異常層位，提高開分支孔成功率及成孔率；同時通過預留分支點，也可對鄰近鉆孔未施工到的盲區(qū)進行覆蓋。

圖5 預留分支點技術

3.6 混合鉆進技術

井下鉆探施工采用回轉鉆進和滑動定向鉆進相結合的鉆進工藝?；剞D鉆進具有效率高、孔壁平滑、事故處理能力強等優(yōu)點的同時亦具備軌跡不可控的缺點；滑動定向鉆進具有軌跡可控的優(yōu)點，但由于鉆桿不能旋轉導致鉆孔軌跡空間上呈螺旋曲線，鉆孔平滑度低、孔底馬達施工進尺慢，且通纜鉆桿壁薄抗扭、抗拉性差，處理事故能力差。將兩種鉆進工藝的特性與地層偏斜情況相結合，既保證鉆孔軌跡與設計軌道基本一致，又能獲得較快的鉆進效率。

混合鉆進技術的關鍵點在于對回轉鉆進參數(shù)的提前預判，依據(jù)前期施工經(jīng)驗判斷回轉鉆進時孔內(nèi)方位、傾角的變化特征，指導后期定向與回轉鉆進方式的切換點及預測回轉鉆進孔深。由于回轉鉆具組合為“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”，考慮到孔底鉆具自重因素，總體上遵循“低層位高角度”、“高層位低角度”的切換方式，同時采用極值法預判回轉鉆進孔深，確保軌跡保持在可控制層位。以“低層位高角度”法為例，如圖6所示，鉆孔軌跡設計傾角為-3°，將定向孔段控制在設計線下方約1m處，保持孔底角度為3°，更換回轉鉆具鉆進，由于鉆頭自重，孔底傾角呈下降趨勢，根據(jù)前期施工經(jīng)驗，每3m降低0.35°，回轉鉆進90m后孔底角度約為-6°，位于設計線上方0.5m處，軌跡處于可控層位。使用該方法能降低孔內(nèi)儀器風險，大幅提高單孔鉆進效率。

圖6 “低層位高角度”鉆進軌跡

4 應用效果分析

4.1 成孔效果

針對該礦工作面3#煤層卸壓瓦斯抽采治理問題，在工作面進風巷中部布設1個定向鉆場，設計4個定向鉆孔，定向鉆孔之間平面軌跡間距約25m，剖面軌跡位于2#煤層與3#煤層之間，與被保護層3#煤層頂板距離為4m，定向鉆孔設計穩(wěn)斜段方位角為295°，傾角-4°，與工作面產(chǎn)狀參數(shù)保持一致，穩(wěn)斜段盡可能在目標層位中有效延伸。定向鉆孔平面軌跡如圖7所示，鉆孔實鉆參數(shù)見表2。

圖7 定向鉆孔實鉆平面軌跡

4.2 瓦斯抽采效果分析

在工作面回采期間對定向鉆孔瓦斯抽采濃度進行考察，與常規(guī)底板鉆孔抽采效果對比，如圖8所示。結果表明：常規(guī)鉆孔在抽采期間瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.8%，百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為19.7m3。定向鉆孔的瓦斯抽采濃度平均為35.7%，百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為497.0m3。定向鉆孔平均單日瓦斯抽采濃度為常規(guī)鉆孔的4.1倍，百米單日瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的25.2倍，定向鉆孔的瓦斯抽采效果明顯好于常規(guī)底板鉆孔，保障了生產(chǎn)工作面的回采安全。

表2 定向鉆孔實鉆參數(shù)表

圖8 不同工藝鉆孔瓦斯抽采濃度曲線

5 結 論

1)針對下峪口煤礦上保護層開采過程中工作面瓦斯超限問題，形成了一套煤礦井下卸壓瓦斯抽采定向鉆進裝備及技術方法，有效保障了工作面的安全生產(chǎn)。

2)定向鉆進過程中采用大角度開孔、穩(wěn)壓注漿固管、混合鉆進、地層判別、快速回轉穿異常區(qū)和預留分支點等技術，可提高鉆進效率及避免孔內(nèi)鉆探風險。

3)定向鉆孔瓦斯抽采結果表明，其抽采效果明顯優(yōu)于常規(guī)底板鉆孔，為類似礦井的瓦斯防治方案提供了新思路。