突出煤層定向鉆孔瓦斯參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究及應(yīng)用

張廷偉，寇建新，孫矩正

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.平煤股份煤炭開(kāi)采利用研究院，河南 平頂山 467000)

在突出煤礦生產(chǎn)中，為掌握遠(yuǎn)距離煤層瓦斯賦存狀況，必然要采用長(zhǎng)鉆孔取煤樣方法測(cè)試煤層瓦斯參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者對(duì)定向鉆孔取樣、瓦斯參數(shù)測(cè)試作了大量的研究。孫四清等[1]研制了碎軟煤層雙徑PDC密閉取心鉆頭，提出了適合于碎軟煤層特征的煤層氣含量精準(zhǔn)測(cè)試密閉取心方法；龍威成[2]提出了煤層密閉取心瓦斯含量測(cè)試技術(shù)，在底抽巷定向長(zhǎng)鉆孔中采集了4個(gè)密閉取心樣品；孫四清等[3]設(shè)計(jì)并試制了適合于煤礦井下長(zhǎng)鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試的“三筒單動(dòng)、球閥密閉”的密閉取心裝置，滿足了超前探測(cè)煤層瓦斯含量的實(shí)際需求；雷紅艷等[4]采用HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置，測(cè)試了7組煤樣的常壓吸附瓦斯量和瓦斯吸附常數(shù)；張向陽(yáng)等[5]采用全鉆粉煤樣測(cè)定其解吸規(guī)律，得出了更適合計(jì)算煤樣瓦斯損失量誤差的方法；程波等[6]認(rèn)為煤層瓦斯含量測(cè)試技術(shù)需加強(qiáng)理論分析、強(qiáng)化裝備，開(kāi)展原位精準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)；陳向軍等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試、數(shù)值模擬分析了取樣過(guò)程中損失瓦斯量推算模型，得出指數(shù)模型可以精準(zhǔn)獲得取樣過(guò)程中的瓦斯損失量；張憲尚等[8]采用瓦斯解吸擴(kuò)散數(shù)學(xué)物理模型得出瓦斯含量快速測(cè)定模型，運(yùn)用煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好，滿足了突出煤層瓦斯含量測(cè)定要求。上述專家學(xué)者對(duì)定向鉆孔取樣裝備及技術(shù)開(kāi)展了較為深入的研究，但未對(duì)定向鉆機(jī)深孔定點(diǎn)取樣測(cè)試煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的研究，十一礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯參數(shù)作為采取防突措施的基本參數(shù)，在很大程度上決定了采用何種措施、效果評(píng)價(jià)及考察[9-11]。鑒于此，平煤股份十一礦(以下簡(jiǎn)稱“十一礦”)積極嘗試以孔代巷瓦斯治理措施，類比、修正試驗(yàn)工作面的原始瓦斯參數(shù)值，以期為后期掌握煤層瓦斯參數(shù)和安全高效開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)工作面概況

十一礦己16-17煤層為煤與瓦斯突出煤層，瓦斯賦存具有“東高西低”的特點(diǎn)[12，13]。己二采區(qū)位于井田東部，煤層瓦斯含量明顯高于井田西部的己四采區(qū)。己16-17-24070工作面位于二水平己四采區(qū)東翼五區(qū)段，東起己二采區(qū)邊界，西至己四采區(qū)運(yùn)輸下山處，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.26～0.47，破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類，平均煤厚6.57m。己16-17煤層的直接頂為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，基本頂為砂質(zhì)泥巖夾薄層條帶細(xì)沙巖，直接底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，老底為L(zhǎng)2灰?guī)r。

己四采區(qū)已回采的己16-17-24030、己16-17-24011等4個(gè)工作面均采用“底抽巷+常規(guī)穿層鉆孔”技術(shù)實(shí)施區(qū)域預(yù)測(cè)，且瓦斯含量、瓦斯壓力均低于“雙6”指標(biāo)，但該技術(shù)存在施工成本高、易誤穿煤層、施工周期長(zhǎng)等缺陷[14-17]。為避免產(chǎn)生影響礦井高效發(fā)展的不利局面，十一礦在己16-17-24050機(jī)巷布置定向鉆機(jī)，沿己16-17煤層頂板布置長(zhǎng)距離定向鉆孔，對(duì)己16-17-24070工作面(包括機(jī)巷外錯(cuò)30m)整個(gè)回采區(qū)域，按100m×100m間隔布置取樣點(diǎn)，開(kāi)展利用定向鉆機(jī)實(shí)施以孔代巷進(jìn)行瓦斯參數(shù)測(cè)試研究工作[18-20]。己16-17-24070工作面定向鉆機(jī)鉆孔施工布置如圖1所示。

圖1 己16-17-24070工作面定向鉆機(jī)取樣長(zhǎng)鉆孔布置

2 瓦斯含量測(cè)試

2.1 殘余瓦斯含量測(cè)試

本次試驗(yàn)采用定向鉆機(jī)施工梳狀定向分支孔，主孔布置在煤層頂板，分支孔由煤層頂板穿入煤層，每個(gè)分支孔內(nèi)采用定點(diǎn)密閉取芯裝置深孔定點(diǎn)取樣，測(cè)定煤層瓦斯含量，結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的方法實(shí)施區(qū)域預(yù)測(cè)，為工作面安全采掘提供可靠的參數(shù)。

定向鉆機(jī)的孔底馬達(dá)到達(dá)取樣位置后，需退出鉆桿再安裝定點(diǎn)密閉取芯裝置，然后送入鉆孔取樣。以取樣深度120m為例，將取樣器送至取樣位置需1.5h，取樣完畢后退出鉆桿需0.8h，即從鉆進(jìn)到取樣位置到把煤樣裝入煤樣罐的時(shí)間在2.3h以上。由于煤體在常壓下暴露時(shí)間都在1.5h以上，且該區(qū)域瓦斯含量較小，煤樣在現(xiàn)場(chǎng)均沒(méi)有解吸量，因此本次測(cè)定的瓦斯含量為煤樣在常壓下不解吸后的殘余瓦斯含量。

受限于深孔定點(diǎn)取樣時(shí)間長(zhǎng)，目前尚無(wú)理論模型借鑒，為了得到定向鉆機(jī)取樣時(shí)的瓦斯損失量、解吸量，在已16-17-24050工作面風(fēng)巷利用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，采用風(fēng)排接粉法采集并實(shí)測(cè)30組煤樣瓦斯含量，以推算定向鉆機(jī)取樣時(shí)的瓦斯取樣損失量、常壓下瓦斯解吸量，本次試驗(yàn)是對(duì)深孔定點(diǎn)取樣測(cè)試瓦斯參數(shù)有益的探索。

2.2 常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)孔口接粉測(cè)定瓦斯含量

由于已16-17-24050工作面與已16-17-24070工作面毗鄰，埋深相差較小，中間沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，因此同屬于一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，已16-17-24050工作面測(cè)定瓦斯含量規(guī)律可用于分析已16-17-24070工作面瓦斯含量，測(cè)試結(jié)果可用于修正深孔定點(diǎn)取樣的瓦斯含量。

常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)測(cè)定瓦斯含量結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)解吸量與損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均12.24%。

2.3 定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)試瓦斯含量

根據(jù)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在己16-17-24050工作面風(fēng)巷測(cè)定的30組瓦斯含量及其煤樣解吸規(guī)律，對(duì)利用定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)的煤層瓦斯含量測(cè)值進(jìn)行修正，即加上相同比例的“取樣損失量+常壓現(xiàn)場(chǎng)解吸量總量(占總瓦斯含量的12.24%)”，得到定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)定的煤層瓦斯含量測(cè)值，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定向鉆孔定點(diǎn)取樣測(cè)定煤層瓦斯含量測(cè)值

為了驗(yàn)證修正含量值的準(zhǔn)確性，在己16-17-24070風(fēng)巷的4個(gè)鉆場(chǎng)里單獨(dú)施工4個(gè)對(duì)比含量測(cè)定鉆孔，即在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)利用定向鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)功能施工本煤層鉆孔，在40m處風(fēng)排粉取樣(簡(jiǎn)稱“風(fēng)排粉”)，井下實(shí)測(cè)瓦斯含量；風(fēng)排粉取樣后退出鉆桿，將定點(diǎn)密閉取樣裝置送至孔底，保證孔底常壓下等待1.5h以上的前提下(模擬深孔定點(diǎn)密閉取芯工藝)，鉆進(jìn)取樣后退出鉆桿，然后測(cè)試瓦斯含量(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)時(shí)取樣”)。測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)排粉煤樣由于取樣時(shí)間短，井下有解吸量，可以推算取樣損失量；而長(zhǎng)時(shí)取樣由于取樣時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有解吸。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定表明，在己16-17-24070工作面風(fēng)巷測(cè)定的4組風(fēng)排粉煤樣的“損失量+現(xiàn)場(chǎng)解吸量”占總瓦斯含量的比例為11.88%～12.38%，與己16-17-24050工作面風(fēng)巷測(cè)定的30組本煤層瓦斯含量規(guī)律一致。己16-17-24050工作面風(fēng)巷測(cè)定數(shù)據(jù)更多，更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，因此定向鉆機(jī)測(cè)定瓦斯含量損失量與現(xiàn)場(chǎng)解吸量占總瓦斯含量的比例按12.24%來(lái)修正。風(fēng)排粉和長(zhǎng)時(shí)取樣含量誤差見(jiàn)表2。

由表2可知，如果未對(duì)測(cè)值進(jìn)行修正，定向鉆機(jī)定點(diǎn)取樣測(cè)值均比真實(shí)值偏小，誤差為11.57%～12.62%，平均12.07%；修正后的定向鉆孔定點(diǎn)取樣所測(cè)煤層瓦斯含量值與真實(shí)比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%。可以判定此次定向鉆孔預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性所測(cè)得的瓦斯含量誤差較小，可以適用突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)判定。

表2 風(fēng)排粉和長(zhǎng)時(shí)取樣含量誤差

3 瓦斯壓力測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

原始瓦斯壓力不僅決定煤層瓦斯含量與瓦斯涌出量的大小，而且還是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一。本次采用“兩堵一注”囊袋式封孔方式主動(dòng)測(cè)壓法測(cè)定己16-17-24070工作面煤層瓦斯壓力。每個(gè)定向鉆孔測(cè)定一個(gè)位置的瓦斯壓力，封孔位置根據(jù)鉆孔實(shí)際軌跡確定，原則上一個(gè)主孔測(cè)定一個(gè)位置的瓦斯壓力。

本次區(qū)域預(yù)測(cè)成功施工的12個(gè)主孔，除了4號(hào)鉆場(chǎng)1#主孔、3號(hào)鉆孔3#主孔和2號(hào)鉆孔1#主孔內(nèi)開(kāi)了兩個(gè)分支孔外，其他8個(gè)主孔內(nèi)均開(kāi)一個(gè)分支孔，因此為了保證工作面內(nèi)測(cè)壓力數(shù)據(jù)的均勻性，每個(gè)主孔內(nèi)測(cè)定一個(gè)壓力，封孔分為兩種方式：第一種，測(cè)主孔壓力時(shí)，首先送一組囊袋進(jìn)入分支孔，在分支孔內(nèi)封孔20m長(zhǎng)度，保證分支孔內(nèi)無(wú)瓦斯涌出到主孔內(nèi)，然后在主孔內(nèi)再進(jìn)行一組囊袋封孔，封孔長(zhǎng)度為20m，保證主孔內(nèi)的測(cè)壓管只與主孔內(nèi)的煤層相連通，封孔材料凝固后，關(guān)閉分支孔注漿閥門，在主孔測(cè)壓孔內(nèi)充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進(jìn)行主孔壓力測(cè)定；第二種，測(cè)分支孔壓力時(shí)，送一組囊袋進(jìn)入分支孔內(nèi)，封孔長(zhǎng)度為20m，保證測(cè)壓管只與分支孔煤孔連通，封孔材料凝固后，在分支孔測(cè)壓孔內(nèi)充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進(jìn)行分支孔壓力測(cè)定。對(duì)于有兩個(gè)分支孔的4個(gè)主孔，只測(cè)定最外端(靠近孔口)分支孔壓力，封孔方式與上述第二種測(cè)分支孔壓力方式相同。封孔方式如圖2所示。

圖2 測(cè)壓鉆孔封孔

3.2 測(cè)定結(jié)果

根據(jù)上述方法，利用己16-17-24070工作面定向鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。分析表3可知，己16-17-24070工作面瓦斯壓力在0.13～0.21MPa之間，最大0.21MPa。

表3 己16-17-24070工作面瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果表

在已16-17-24050機(jī)巷掘進(jìn)前，于2018年11月至2019年2月期間曾在已16-17-24050機(jī)巷底抽巷向已16-17-24070回采區(qū)域內(nèi)施工穿層鉆孔測(cè)試已16-17煤層原始瓦斯壓力，測(cè)得煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，最大0.43MPa。

綜上，由本次預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯壓力與常規(guī)穿層鉆孔實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力可知，預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，平均0.19MPa，最大0.43MPa。

4 結(jié) 論

1)在平煤股份十一礦開(kāi)展定向鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，采用定向鉆機(jī)施工梳狀定向分支孔，將主孔布置在煤層頂板穩(wěn)定巖層，分支孔由煤層頂板進(jìn)入煤層，可避免鉆孔不穩(wěn)、容易縮徑等問(wèn)題。

2)定向鉆機(jī)深孔取樣測(cè)得的瓦斯含量為殘余瓦斯含量值，通過(guò)采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)孔口接粉測(cè)試瓦斯含量的方法，對(duì)定向鉆機(jī)測(cè)定原始瓦斯含量值進(jìn)行了修正，修正后的定向鉆孔定點(diǎn)取樣所測(cè)煤層瓦斯含量值與真實(shí)比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%。

3)己16-17-24070工作面范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的27組煤樣的瓦斯含量為3.98～4.91m3/t，最大4.91m3/t，小于6m3/t；實(shí)測(cè)的瓦斯壓力為0.02～0.43MPa，最大0.43MPa，小于0.6MPa。瓦斯含量、瓦斯壓力均低于河南省規(guī)定的“雙6”指標(biāo)。