負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采完孔工藝研究

馬 贊，陳冬冬，解恒星，陳天柱，王 彬，賈秉義

(1.貴州金沙龍鳳煤業(yè)有限公司，貴州 金沙 551800；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害事故、實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合利用的有效措施[1-2]。定向鉆進(jìn)工藝可跨盤(pán)(采)區(qū)、工作面進(jìn)行鉆孔施工，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域、超長(zhǎng)距離、遞進(jìn)式煤層瓦斯精準(zhǔn)高效抽采，可大幅增加鉆孔抽采范圍，解決了高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯災(zāi)害治理的時(shí)空矛盾[3-6]。目前常用的液動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)適用于堅(jiān)固性系數(shù)(f值)大于0.8 的中硬煤層中，中硬煤層順層鉆進(jìn)成孔性較好，通常無(wú)需采取篩管護(hù)孔措施即可取得較好的抽采效果。同時(shí)，受礦井采掘部署影響，負(fù)角度鉆孔(下向孔)在煤礦生產(chǎn)中有著較為廣泛的應(yīng)用。但下向孔積水可能造成鉆孔孔壁失穩(wěn)變形甚至坍塌，導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯抽采通道堵塞等問(wèn)題，將致使鉆孔瓦斯抽采量降低[7-9]，影響瓦斯抽采效果，對(duì)于定向長(zhǎng)鉆孔更是如此，若局部出現(xiàn)塌孔問(wèn)題，將導(dǎo)致大量鉆孔失效，造成瓦斯抽采盲區(qū)，嚴(yán)重影響定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的高效性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

針對(duì)下向鉆孔的排水問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，常用的主要方法有壓風(fēng)排水法、孔外泵抽和孔內(nèi)泵排等，雖然取得了一些成果，但均集中在底板巷穿層下向孔或較短長(zhǎng)度的順層下向孔中[10]，對(duì)于長(zhǎng)距離(大于300 m)的下向鉆孔積水問(wèn)題，現(xiàn)有常規(guī)方法均無(wú)法有效解決，且鮮有見(jiàn)到相關(guān)的研究報(bào)道。因此，在無(wú)有效排水措施的前提下，對(duì)于中硬煤層負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔而言，是否需要采取護(hù)孔工藝，二者的抽采效果差異是值得商榷的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題?；诖?，筆者以貴州龍鳳煤礦9 號(hào)中硬煤層為研究對(duì)象，考察分析了采取護(hù)孔和未護(hù)孔2 種完孔工藝的負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果，以期為中硬煤層定向長(zhǎng)鉆孔合理抽采工藝提供參考。

1 負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔篩管護(hù)孔工藝技術(shù)

1.1 失穩(wěn)分析

定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯工藝作為防治煤與瓦斯突出災(zāi)害事故的重要措施，已被廣泛應(yīng)用，與普通鉆孔相比，定向鉆孔具有鉆孔軌跡精確可控、成孔性較好、鉆孔深度大、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是在負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔成孔后，鉆孔積水可能造成鉆孔孔壁失穩(wěn)變形甚至坍塌，鉆孔孔壁穩(wěn)定性極差，導(dǎo)致鉆孔抽采有效截面積減小，瓦斯抽采效果無(wú)法得到保證，嚴(yán)重影響煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔成孔后造成孔內(nèi)失穩(wěn)具有以下特征：

①在突出煤層中，煤層破碎、強(qiáng)度低、黏聚力小、吸附能力強(qiáng)、易膨脹，為塑性圍巖，不利于鉆孔孔壁的穩(wěn)定，極易造成鉆孔失穩(wěn)、坍塌。

② 積水對(duì)煤層可以產(chǎn)生軟化、泥化作用，導(dǎo)致鉆孔發(fā)生體積膨脹、崩解等明顯變化；在負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔中，鉆孔孔壁周?chē)拿后w吸附大量的水分，會(huì)發(fā)生近似整體向內(nèi)平移的失穩(wěn)塌孔現(xiàn)象。

③長(zhǎng)鉆孔失穩(wěn)塌孔，煤體自身因素起著決定性的作用，但是外部因素的作用也很重要，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤巷掘進(jìn)、臨近層開(kāi)采、爆破等都會(huì)造成鉆孔失穩(wěn)變形；此外，附近鉆孔施工也是造成其變形的原因，而且，由于煤層具有流變及蠕變特性，時(shí)間因素也是考慮鉆孔失穩(wěn)變形的重要因素之一。

1.2 篩管護(hù)孔工藝

如何解決已形成鉆孔坍塌失效成為亟待解決問(wèn)題。篩管護(hù)孔工藝既解決了鉆孔縮徑、坍塌失效的問(wèn)題，又不影響瓦斯抽采，有效保證了鉆孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。在順層或穿層短距離鉆孔中，常規(guī)下護(hù)孔篩管技術(shù)需借助人工助推方式下入護(hù)孔篩管，但人工助推能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或全孔下篩管[11-15]。隨著技術(shù)的不斷革新與進(jìn)步，隨鉆下護(hù)孔篩管技術(shù)日趨成熟，使用可開(kāi)閉式鉆頭利用機(jī)械助推方式配合大通孔螺旋鉆桿實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離下入護(hù)孔篩管，其工藝流程為：首先利用定向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工定向長(zhǎng)鉆孔，待達(dá)到設(shè)計(jì)孔深之后，提鉆終孔。從鉆桿中心利用機(jī)械方式下入護(hù)孔篩管，下至設(shè)計(jì)孔深后，退出孔內(nèi)鉆具，護(hù)孔篩管留在孔內(nèi)作為鉆孔內(nèi)瓦斯抽采通道[16-18]。

1.3 不同完孔工藝效果分析

在已成形負(fù)角度定向鉆孔中，由于打鉆積水和地層水的存在，鉆孔內(nèi)存在積水，且對(duì)于長(zhǎng)距離、大垂深鉆孔而言，孔內(nèi)積水不能被負(fù)壓抽采和涌出瓦斯有效攜帶，致使其在鉆孔中始終聚積[19-20]。鉆孔揭露的煤體長(zhǎng)期浸泡在水中，煤體的含水飽和度增高，煤體顆粒之間充滿水，導(dǎo)致表面張力消失，剪切強(qiáng)度減小，煤體強(qiáng)度變低，造成鉆孔力學(xué)失穩(wěn)，表現(xiàn)為縮徑、掉渣、掉塊甚至坍塌。對(duì)于中硬煤層而言，含水鉆孔的孔壁煤體力學(xué)失穩(wěn)不一定會(huì)造成坍塌堵塞，本文中2 種完孔工藝的定向鉆孔的瓦斯抽采量沒(méi)有出現(xiàn)突然衰減和明顯下降，間接也表明孔內(nèi)應(yīng)沒(méi)有出現(xiàn)大面積塌孔造成的鉆孔失效；但隨著煤體浸泡時(shí)間的增加，造成縮徑、掉渣、掉塊等效應(yīng)會(huì)逐漸增加鉆孔摩擦阻力，導(dǎo)致孔內(nèi)負(fù)壓損失較大，瓦斯運(yùn)移壓力梯度逐步減小。同時(shí)，掉渣、掉塊效應(yīng)一定程度上雖然不會(huì)堵塞瓦斯流動(dòng)通道，但會(huì)直接導(dǎo)致鉆孔有效截面積大幅減小，如圖1 所示。因此，初步分析認(rèn)為，中硬煤層負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔積水導(dǎo)致的負(fù)壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等使得鉆孔有效抽采面積減少，這是造成未護(hù)孔條件下瓦斯長(zhǎng)期抽采效果差的主要原因。下入護(hù)孔篩管后，篩管的支撐作用緩解且防止孔壁的進(jìn)一步變形，維持了鉆孔抽采有效截面積，并且可以作為長(zhǎng)期的瓦斯抽采通道，如圖2 所示，既解決鉆孔坍塌失效的問(wèn)題，又不影響瓦斯抽采，延長(zhǎng)了鉆孔的服務(wù)周期，有效保障瓦斯抽采鉆孔的可靠性和有效性。

圖1 未下入護(hù)孔篩管定向鉆孔瓦斯運(yùn)移趨勢(shì)Fig.1 Trend of gas migration in directional drilling holes without protective screen pipe

圖2 下入護(hù)孔篩管定向鉆孔瓦斯運(yùn)移趨勢(shì)Fig.2 Trend of gas migration in directional drilling holes with protective pipe

2 工程實(shí)踐

2.1 礦井概況

貴州金沙龍鳳煤業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱“龍鳳煤礦”)位于貴州省金沙縣西南部，礦井分兩期建設(shè)，一期生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，為煤與瓦斯突出礦井；礦井目前處于基建階段，首采區(qū)位于礦區(qū)中部，主采二疊系龍?zhí)督M9 號(hào)煤層，煤質(zhì)為高變質(zhì)無(wú)煙煤。礦井開(kāi)拓期間，實(shí)測(cè)9 號(hào)煤層最大瓦斯含量15.74 m3/t、煤層瓦斯壓力 1.26 MPa，透氣性系數(shù) 0.022～0.096 m2/(MPa2·d)、鉆孔流量衰減系數(shù)0.14～0.24 d–1，屬于較難抽采煤層。首采1903 工作面沿傾向布置，落差近160 m(切眼低)，平均傾角–8°，工作面長(zhǎng)度200 m、煤層厚度2.80 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、一般不含夾矸，煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖、粉砂巖或砂質(zhì)泥巖；區(qū)域地層走向NE、傾向SE，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類(lèi)型。

實(shí)測(cè)9 號(hào)煤堅(jiān)固性系數(shù)(f值)1.94，適合定向長(zhǎng)鉆孔施工，為實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯超前抽采與高效治理，保障礦井首采工作面瓦斯治理工程超前實(shí)施，在已完成的開(kāi)拓巷道和工作面底板巷道施工負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔，超前預(yù)抽掘進(jìn)區(qū)域煤層瓦斯，滿足礦井快速掘進(jìn)及按期投產(chǎn)的要求。

2.2 不同完孔工藝定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)與施工

由于龍鳳煤礦首采1903 工作面沿傾向布置，設(shè)計(jì)負(fù)角度鉆孔順煤層鉆進(jìn)預(yù)抽煤層瓦斯。在無(wú)有效排水措施的前提下，針對(duì)負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔在1903工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道分別采取未護(hù)孔和護(hù)孔2 種完孔工藝。

2.2.1 未護(hù)孔工藝

開(kāi)孔點(diǎn)位于回風(fēng)斜井9 號(hào)煤層揭煤鉆場(chǎng)，向1903 運(yùn)輸巷道掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤┴?fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔，最外側(cè)鉆孔終孔點(diǎn)位于巷道輪廓線外15 m，共設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑96 mm，設(shè)計(jì)鉆孔沿煤層鉆進(jìn)深度不小于200 m，實(shí)鉆軌跡如圖3 和圖4 所示。采用ZDY4000LD 定向鉆機(jī)施工完成7 個(gè)9 號(hào)煤定向鉆孔施工，鉆孔平面間距6 m、平均傾角–8°，累計(jì)進(jìn)尺2 799 m，見(jiàn)煤段總長(zhǎng)2 467 m，最大主孔孔深330 m，孔口至孔底落差平均為40 m，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 回風(fēng)斜井鉆場(chǎng)定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡參數(shù)Table 1 Parameters of actual drilling trajectory of directional long borehole in return air inclined well drilling site

圖3 工作面掘進(jìn)區(qū)域負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔布置Fig.3 Arrangement of the directional long boreholes with negative angle in the heading area of working face

圖4 回風(fēng)斜井鉆場(chǎng)定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面 (以1 號(hào)孔為例)Fig.4 The actual drilling trajectory of the directional long borehole at the return air inclined well drilling site(No.1 bore hole)

2.2.2 護(hù)孔工藝

在軌道1 號(hào)聯(lián)里程30 m 處，分別在左右兩幫布置鉆場(chǎng)，向1903 工作面回風(fēng)巷道掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤┴?fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔，最外側(cè)鉆孔終孔點(diǎn)位于巷道輪廓線外15 m，共設(shè)計(jì)7 個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑96 mm。采用ZDY4000LD 定向鉆機(jī)施工完成7 個(gè)9 號(hào)煤定向鉆孔，鉆孔間距6 m、平均傾角–8°，孔口至孔底落差平均為40.3 m，累計(jì)進(jìn)尺2 886 m，見(jiàn)煤段總長(zhǎng)2 440 m，最大主孔孔深363 m。為了對(duì)比考察，采用鉆孔下篩管工藝進(jìn)行護(hù)孔，選用的可開(kāi)閉式鉆頭配合大通孔螺旋鉆桿下篩管工藝，最大下深可達(dá)360 m，實(shí)鉆平面軌跡如圖3 所示，鉆孔施工參數(shù)和篩管護(hù)孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 軌道1 號(hào)聯(lián)巷鉆場(chǎng)定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡參數(shù)Table 2 Parameters of actual drilling trajectory for directional long boreholes in the track No.1 joint drilling site

3 不同護(hù)孔工藝瓦斯抽采效果考察與分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，同一鉆場(chǎng)內(nèi)部分定向鉆孔之間存在串孔，同時(shí)，單孔抽采數(shù)據(jù)與鉆場(chǎng)抽采數(shù)據(jù)存在誤差。為此，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性，選取鉆場(chǎng)瓦斯抽采量作為考察與分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 瓦斯抽采量跟蹤考察

回風(fēng)斜井未護(hù)孔定向鉆場(chǎng)累計(jì)抽采213 d，瓦斯抽采純量0.18～10.25 m3/min、平均1.87 m3/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)13.00%～77.30%，平均55.12%。軌道1 號(hào)聯(lián)巷護(hù)孔工藝定向鉆場(chǎng)累計(jì)抽采時(shí)間141 d，鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量為0.49～3.75 m3/min、平均2.09 m3/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)8.80%～89.70%，平均51.74%。由圖5 和圖6 對(duì)比分析可知，在瓦斯抽采前30 d，2 種完孔工藝鉆孔瓦斯抽采量差別不大，且二者的瓦斯抽采曲線均較為平緩，瓦斯抽采量沒(méi)有出現(xiàn)突然衰減和明顯下降，說(shuō)明孔內(nèi)應(yīng)沒(méi)有出現(xiàn)大面積塌孔造成的鉆孔失效現(xiàn)象。

圖5 未護(hù)孔工藝負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量變化曲線Fig.5 Variation curves of gas drainage volume of negative-angle directional long borehole with unprotected hole technology

圖6 篩管護(hù)孔工藝負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量變化曲線Fig.6 Nariation curves of gas drainage volume of negative angle directional drilling long boreholes with screen pipe protection

3.2 瓦斯抽采規(guī)律對(duì)比分析

為進(jìn)一步對(duì)比分析不同完孔工藝的瓦斯抽采效果，對(duì)表征鉆孔瓦斯抽采效果參數(shù)的初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)進(jìn)行擬合分析；二者對(duì)鉆孔瓦斯抽采效果起著決定性作用；q0越大、β越小，則鉆孔瓦斯抽采效果就越好；反之，則越差。鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)的值可根據(jù)(t,qt)數(shù)組按下式回歸分析求得：

式中：qt為抽采時(shí)間t下每100 m 鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/min；q0為百米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d–1；t為區(qū)段內(nèi)鉆孔平均抽采時(shí)間，d。

對(duì)2 種完孔工藝的瓦斯抽采量數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)整理、分析和擬合，得到了二者的瓦斯抽采量與抽采時(shí)間之間的冪指數(shù)關(guān)系。

護(hù)孔負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔：

未護(hù)孔負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔：

由式(2)和式(3)得出：采取護(hù)孔工藝負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)為0.137 0 m3/min，瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)為0.008 d–1；未護(hù)孔工藝負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)為0.152 9 m3/min，瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)為0.013 d–1。二者的初始瓦斯抽采量(q0)基本一致，但采取護(hù)孔工藝的瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)是未護(hù)孔的61.54%，即從長(zhǎng)期抽采來(lái)看，采取護(hù)孔工藝的負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效率將會(huì)明顯提升。以抽采400 d 為例，護(hù)孔工藝負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采總量將是未護(hù)孔的1.40 倍(圖7)。經(jīng)理論計(jì)算，采取篩管護(hù)孔工藝鉆場(chǎng)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為195 d，未護(hù)孔鉆場(chǎng)為352 d，采取篩管護(hù)孔工藝鉆場(chǎng)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間比未護(hù)孔鉆場(chǎng)縮短了157 d。

圖7 篩管鉆孔與未護(hù)孔定向鉆孔百米抽采總量對(duì)比Fig.7 Comparison of the extraction volume of 100 m between screen pipe protected and unprotected directional boreholes

4 結(jié)論

a.負(fù)角度定向鉆孔長(zhǎng)期抽采過(guò)程中，鉆孔積水引起的負(fù)壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等導(dǎo)致的鉆孔有效抽采面積減少是造成采取護(hù)孔工藝鉆孔抽采效果優(yōu)于未采取鉆孔的主要原因。下入護(hù)孔篩管后，篩管的支撐作用緩解和防止孔壁的進(jìn)一步變形，維持鉆孔抽采有效截面積，從而保障了負(fù)角度定向鉆孔長(zhǎng)期高效抽采。

b.通過(guò)貴州龍鳳煤礦的實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)比分析采取負(fù)角度長(zhǎng)鉆孔篩管護(hù)孔和未護(hù)孔工藝效果，在瓦斯抽采前6 個(gè)月，采取護(hù)孔工藝的負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔平均瓦斯抽采純量為2.09 m3/min、未采取護(hù)孔工藝為1.87 m3/min，二者差別不大。但護(hù)孔定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)是未下篩管的61.54%，以抽采400 d 為例，采取護(hù)孔工藝定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采總量將是未護(hù)孔的1.40 倍。經(jīng)理論計(jì)算，采取篩管護(hù)孔工藝鉆場(chǎng)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間比未護(hù)孔鉆場(chǎng)縮短了157 d。

c.定向長(zhǎng)鉆孔篩管護(hù)孔工藝對(duì)于瓦斯抽采雖然取得一定成效，但本次僅從水分對(duì)煤體力學(xué)的角度開(kāi)展分析研究，今后需在水對(duì)煤體物化作用和吸附解吸影響方面需進(jìn)一步研究；且目前現(xiàn)有措施仍無(wú)法從根本上解決負(fù)角度鉆孔積水對(duì)孔壁失穩(wěn)變形甚至在局部造成的堵孔問(wèn)題，而有效的排水措施是解決孔內(nèi)積水問(wèn)題的根本手段。