強(qiáng)突出碎軟煤層定向長鉆孔區(qū)域瓦斯治理技術(shù)研究

趙中玲

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 陽泉有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

近年來，隨著定向鉆探設(shè)備的不斷創(chuàng)新，千米定向鉆機(jī)技術(shù)在我國的應(yīng)用基本成熟，利用定向鉆機(jī)施工長距離鉆孔進(jìn)行采掘工作面區(qū)域瓦斯治理以及防突在許多礦井得到了有效的應(yīng)用[1-6]，但大都是在煤層頂?shù)装逡约皥?jiān)硬煤層中使用。在進(jìn)行一系列松軟煤層試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，定向鉆進(jìn)新技術(shù)的引入和應(yīng)用在一定程度上提高了塌孔等相關(guān)事故的發(fā)生率，另外，該技術(shù)在長距離定向鉆進(jìn)中成孔率不高。針對碎軟煤層鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)埋鉆、卡鉆等情形，使得鉆進(jìn)成孔難度明顯增大，某些學(xué)者通過對鉆頭、鉆桿及施工工藝進(jìn)行改造，解決了松軟煤層鉆進(jìn)難的問題[7-10]，施工的鉆孔長度基本上在120 m以內(nèi)。對于在掘進(jìn)工作面正前施工長距離定向鉆孔、鉆孔深度350 m以上、鉆孔軌跡始終在煤層中的研究較少。本文針對上社煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下松軟破碎低透氣性強(qiáng)突出煤層，利用定向鉆機(jī)能夠控制鉆進(jìn)軌跡的特點(diǎn)，對鉆機(jī)設(shè)備和鉆機(jī)施工工藝進(jìn)行升級和改造，對掘進(jìn)工作面施工定向長距離鉆孔進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，該技術(shù)可以為陽泉礦區(qū)突出礦井治理瓦斯以及突出提供一種新的方法。

1 礦井概況

上社煤礦井田位置位于沁水煤田北部邊界，井田面積12.38 km2，核定生產(chǎn)能力210萬t/a，地質(zhì)儲量14 813.5萬t，可采儲量8 255.3萬t，為煤與瓦斯突出煤層。現(xiàn)開采9號、15號煤層，其中15號煤層為突出煤層。15號煤層埋深為40～620 m，煤層厚度4.35～7.01 m，平均5.67 m，煤層原始瓦斯含量12.97 m3/t，原始瓦斯壓力1.21 MPa，瓦斯放散初速度為29.4 mmHg，煤的破壞類型為Ⅲ類，煤層透氣性系數(shù)為0.351 3 m2/（MPa2·d）。

2 定向鉆孔設(shè)備

此次采用的是陜西太合智能鉆探有限公司生產(chǎn)的ZYL-60000D履帶式全液壓定向鉆機(jī)，鉆桿使用的是無線高強(qiáng)度三棱螺旋槽鉆桿，鉆頭為反切削塔式鉆頭，其優(yōu)勢特征主要表現(xiàn)為耐磨性優(yōu)良，碎巖速度快，鉆頭保徑效果比較理想，并且通水排渣比較順暢，很少出現(xiàn)的堵塞的情況。隨鉆測量系統(tǒng)主要由下無磁鉆桿、測量探管等組成，該系統(tǒng)和定向鉆機(jī)、高強(qiáng)度無線三棱螺旋槽鉆桿等相關(guān)裝置配套使用，共同負(fù)責(zé)水平定向鉆進(jìn)的測量以及控制等工作。詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下：

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工作面基本情況

此次定向鉆孔施工試驗(yàn)選擇井田最南端西部的15202工作面，工作面埋藏深度為625～580 m，為礦井埋深最深處，除與之垂直相交的15號皮帶巷已開采外，其他相鄰的煤體均處于原始狀態(tài)。15202工作面共設(shè)計(jì)布置4條巷道，分別為15202第一進(jìn)風(fēng)順槽、15202第二進(jìn)風(fēng)順槽、15202第一回風(fēng)順槽和15202第一回風(fēng)順槽，均為待掘巷道。2條進(jìn)（回）風(fēng)順槽之間聯(lián)絡(luò)巷間距為20 m。

3.2 鉆孔施工情況

從6月4日～9月11日，15202進(jìn)風(fēng)順槽口定向鉆孔按設(shè)計(jì)共開孔5個，施工7個主孔，41個分支孔，鉆孔總進(jìn)尺4 287 m，鉆孔日進(jìn)尺50 m。其中1號鉆孔總進(jìn)尺1 353 m，主孔深351 m，開分支15個；2號鉆孔總進(jìn)尺927 m，2-1號孔主孔深度315 m，2-2號孔主孔深度348 m，開分支孔8個；3號定向鉆孔總進(jìn)尺516 m，主孔深351 m，開分支3個；4號鉆孔總進(jìn)尺975 m，其中4-1號主孔深度354 m，4-2號主孔深度354 m，開分支9個；5號鉆孔總進(jìn)尺516 m，主孔深348 m，開分支6個，鉆孔竣工示意如圖1所示。

圖1 定向鉆孔竣工示意Fig.1 Completion drawing of directional drilling

4 鉆孔瓦斯抽采效果分析

15202進(jìn)風(fēng)順槽口定向鉆孔施工完畢后立即連接抽放管路進(jìn)行抽采，對15202進(jìn)風(fēng)順槽口鉆場內(nèi)1號、2號（2-1號、2-2號）、3號、4號、5號共5個鉆孔瓦斯抽采濃度與鉆孔瓦斯抽采純量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其變化規(guī)律如圖2～圖6所示。

圖2 1號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.2 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.1 directional borehole

圖6 5號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.6 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.5 directional borehole

由于受到施工順序以及鉆孔有效抽采長度的影響，5個鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量不相同。其中1號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為57.1%，最高瓦斯抽采純量為0.594 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.043 9 m3/min；2號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為86.6%，最高瓦斯抽采純量為1.997 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.215 4 m3/min；3號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為90.5%（最早開始施工），最高瓦斯抽采純量為0.911 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.176 m3/min；4號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為49.5%，最高瓦斯抽采純量為0.633 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.065 m3/min；5號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為63.2%，最高瓦斯抽采純量為0.445 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.086 m3/min。

抽采90 d后，1號鉆孔的瓦斯抽采濃度為55%，瓦斯抽采純量為0.301 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.022 2 m3/min，降幅49.89%；2號鉆孔的瓦斯抽采濃度為63%，瓦斯抽采純量為0.411 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.044 m3/min，降幅79.57%；3號鉆孔的瓦斯抽采濃度為82%，瓦斯抽采純量為0.511 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.099 m3/min，降幅43.75%；4號鉆孔的瓦斯抽采濃度為37%，瓦斯抽采純量為0.213 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.022 m3/min，降幅66.15%；5號鉆孔的瓦斯抽采濃度為15%，瓦斯抽采純量為0.063 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.012 m3/min，降幅86.04%。5號孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量較其他鉆孔明顯偏低，原因可能是因?yàn)樵谑┕?號鉆孔時與4-2號鉆孔的分支連通，導(dǎo)致5號鉆孔瓦斯抽采效果較差。

此前，上社煤礦采用ZDY3000S液壓鉆機(jī)施工本煤層瓦斯預(yù)抽時，鉆孔長度平均為100 m左右，開始進(jìn)行預(yù)抽時，單孔瓦斯抽采濃度在35%左右，百米鉆孔的瓦斯抽采純量為0.03 m3/min。通過比較發(fā)現(xiàn)，定向長鉆孔的百米瓦斯抽采量是一般瓦斯抽采鉆孔的3.5倍。

圖3 2號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.3 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

圖4 3號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.4 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.3 directional borehole

圖5 4號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.5 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律、鉆孔周圍煤體的應(yīng)力分布規(guī)律，建立了定向長鉆孔松軟破碎煤層瓦斯抽采流固熱耦合模型，為鉆孔抽采瓦斯數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)。

（2）與普通鉆孔相比，長距離鉆孔的瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量均有了較大幅度的提高。在定向鉆孔深度不斷增大、分支鉆孔數(shù)量日益增多時，長距離鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量有所降低。抽采90 d后，鉆孔平均瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在35%左右，平均瓦斯抽采純量0.29 m3/min，平均百米鉆孔瓦斯抽采量為0.039 8 m3/min。

（3）采用定向長距離鉆孔后，提高了鉆孔百米瓦斯抽采量，降低了工作面瓦斯含量。