定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備在穿層定向長(zhǎng)鉆孔中的應(yīng)用

宋傳祥，賈楠生，季文淼，張尚旺

（1.兗礦東華建設(shè)有限公司，山東鄒城273500；2.貴州怡德穩(wěn)健鉆探工程有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng)550000）

瓦斯災(zāi)害是礦山建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中的主要災(zāi)害之一，其危險(xiǎn)性與破壞性巨大，給煤礦安全生產(chǎn)造成很大的隱患和經(jīng)濟(jì)損失［1］。近年來(lái)，隨著煤礦綜采工藝的發(fā)展，工作面回采速度加快，大大提高了生產(chǎn)效率，但與此同時(shí)工作面瓦斯涌出量劇增，帶來(lái)安全生產(chǎn)隱患，成為制約煤礦安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵因素［2］。

煤礦工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝，具有工作面回采距離長(zhǎng)、回采速度快等優(yōu)勢(shì)。但因工作面受采動(dòng)影響，導(dǎo)致采放落煤、開(kāi)采層煤壁、采空區(qū)遺煤、鄰近煤巖層瓦斯涌出居高不下，造成回風(fēng)巷以及上隅角瓦斯?jié)舛瘸蓿?-5］。目前工作面瓦斯治理已形成多種工藝方式［6-8］，有上隅角埋管采空區(qū)瓦斯抽采［9］、高位走向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采［10］等方式，但上隅角埋管采空區(qū)抽采方式工程量大，瓦斯抽采效率有限，抽采效果不佳［11］；高位走向長(zhǎng)鉆孔需要在頂板上部挖掘鉆場(chǎng)，導(dǎo)致巷道施工量大，設(shè)備搬遷不方便，鉆場(chǎng)通風(fēng)、坡度較高等復(fù)雜問(wèn)題，存在極大安全隱患［12］。由于鉆進(jìn)設(shè)備能力不足、以及鉆具限制，造成鉆孔成孔率低、鉆孔孔徑小和鉆孔軌跡不可控等問(wèn)題，影響瓦斯抽采效率［13］?；诖耍疚奶岢霾捎妹旱V用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)以及附屬配套定向機(jī)具，結(jié)合定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)，施工穿層定向長(zhǎng)鉆孔，以此提高鉆孔成孔率、鉆孔深度以及鉆孔孔徑，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯高效抽采，大大降低工作面瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

1 工作面概況

硫磺溝礦區(qū)（9-15）08 號(hào)煤層位于西山窯組下段下部，是井田內(nèi)主要可采煤層，也是主采煤層，是井田唯一特厚煤層。全井田發(fā)育，其厚度變異系數(shù)為13.92%，全區(qū)穩(wěn)定可采，為穩(wěn)定煤層，可采指數(shù)為100%。（9-15）煤層在 09、10 號(hào)煤層之間存在夾矸，夾矸最大厚度約7 m。（9-15）08 號(hào)煤層厚度自東向西逐漸增厚，煤厚33.36～35.69 m，平均34.53 m，工作面煤層傾角21°～25°，平均傾角23°。開(kāi)采方式為走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法，由于放頂面積大，導(dǎo)致瓦斯大量涌出，對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。

工作面采用普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)施工煤層預(yù)抽瓦斯孔，但由于鉆機(jī)能力不足以及鉆具的局限性，施工鉆孔淺、鉆孔孔徑小，鉆孔軌跡不可控，一般孔深不超過(guò)100 m，且有效抽采孔徑小，導(dǎo)致抽采能力不足。另外高位鉆場(chǎng)施工長(zhǎng)鉆孔存在軌跡盲區(qū)，造成有效抽采段偏離抽采區(qū)域，導(dǎo)致瓦斯抽采效果不理想，且浪費(fèi)大量鉆孔進(jìn)尺，最終影響工作面瓦斯治理效果。因此迫切需要一種行之有效的瓦斯治理技術(shù)。

（9-15）08 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1，綜合地層情況見(jiàn)表2。

表1 （9-15）08 號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of (9-15)08 coal seam and roof and floor

表2 （9-15）08 號(hào)煤層綜合地層情況Table 2 Comprehensive stratigraphic conditions of (9-15)08 coal seam

2 穿層定向長(zhǎng)鉆孔抽采卸壓瓦斯方案

根據(jù)（9-15）08 號(hào)工作面實(shí)際情況，回風(fēng)巷道處于未卸壓（9-15）08 號(hào)煤層中，工作面回采進(jìn)行放頂煤垮落時(shí)采空區(qū)大量瓦斯涌出，危及安全生產(chǎn)，降低瓦斯涌出量是瓦斯治理的關(guān)鍵因素。因此采空區(qū)高效瓦斯抽采技術(shù)，也就是穿層定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)是減少采空區(qū)瓦斯涌出量的關(guān)鍵有效方法。

采用穿層定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行卸壓煤層瓦斯抽采時(shí)，利用定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)，按照預(yù)設(shè)的鉆孔軌跡層位，將鉆孔調(diào)整至目標(biāo)層位，保持鉆孔延伸至目標(biāo)靶區(qū)范圍內(nèi)直至終孔。最后進(jìn)行（9-15）08 號(hào)煤層段擴(kuò)孔工藝，下套管穩(wěn)孔壁方法，利用先導(dǎo)鉆進(jìn)擴(kuò)孔技術(shù)，增大鉆孔孔徑，加大瓦斯抽采通道半徑。利用該技術(shù)瓦斯抽采效果顯著提高，有效減少了（9-15）08 號(hào)煤層卸壓瓦斯涌出量。

3 穿層定向長(zhǎng)鉆孔配套設(shè)備及技術(shù)

3.1 穿層定向長(zhǎng)鉆孔配套裝備

3.1.1 鉆機(jī)

ZDY4000LD（C）型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，屬于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩鉆機(jī)，體積寬度小、移動(dòng)靈活、布局合理，適合穿層定向長(zhǎng)鉆孔施工，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該定向鉆機(jī)采用多個(gè)獨(dú)立的液壓回路實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)，占用空間小，維護(hù)保養(yǎng)方便，有效降低鉆機(jī)能耗。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可分別在60～210 r/min 與1050～4000 N·m 無(wú)級(jí)調(diào)變，鉆機(jī)自動(dòng)化程度高。

圖1 ZDY4000LD（C）型定向鉆機(jī)Fig.1 ZDY4000LD (C)directional drilling machine

3.1.2 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

鉆孔軌跡按照預(yù)設(shè)的目標(biāo)層位精準(zhǔn)鉆進(jìn)是定向鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵，鉆孔軌跡各項(xiàng)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)顯示，保證鉆孔軌跡在地層空間中具體位置。

YHD2-1000（A）型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)示意見(jiàn)圖2。測(cè)量精度為：傾角測(cè)量范圍-90°～+90°，允許誤差±0.2°；方位角測(cè)量范圍 0°～360°，允許誤差±1.5°；工具面向角測(cè)量范圍 0°～360°，允許誤差±1.5°。

圖2 YHD2-1000(A)型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of YHD2-1000(A)MWD system

3.1.3 附屬配套定向機(jī)具

（1）鉆桿：?73 mm 普通鉆桿，?73 mm 整體式螺旋通纜鉆桿，?73 mm 無(wú)磁鉆桿。

（2）螺桿馬達(dá)：?73 mm 螺桿馬達(dá)（1.25°彎角），長(zhǎng)度2.85 m。

（3）隨鉆測(cè)量送水器：可實(shí)現(xiàn)送水器不用拆卸即可測(cè)量孔內(nèi)測(cè)量探管信號(hào)，提高施工效率。

3.2 定向鉆進(jìn)技術(shù)

目前煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步并不斷發(fā)展與完善［14-16］。定向鉆進(jìn)技術(shù)是指采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。裝備采取ZDY4000LD（C）型定向鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)以及螺桿鉆具，進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工時(shí)，整體式螺旋通纜鉆桿、無(wú)磁鉆桿等鉆具不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在鉆機(jī)給進(jìn)壓力推進(jìn)下滑動(dòng)鉆進(jìn)，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破碎巖石。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡參數(shù)，通過(guò)調(diào)整工具面向角，使鉆孔實(shí)際軌跡按照設(shè)計(jì)軌跡延伸直至鉆進(jìn)目標(biāo)靶區(qū)或者靶點(diǎn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 穿層定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)（9-15）08 號(hào)工作面軌道順槽實(shí)際情況，目前進(jìn)入未卸壓實(shí)體煤中的巷道距離為400 m，在回風(fēng)巷開(kāi)拓1 個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)布置4 個(gè)定向鉆孔，封孔管采用?127 mm 的鐵質(zhì)套管全程下入煤層并進(jìn)入巖層2～3 m，利用穿層定向長(zhǎng)鉆孔抽采卸壓瓦斯。根據(jù)（9-15）08 號(hào)工作面綜合地層情況（表 2），（9-15）08 號(hào)煤層頂板與泥巖段之間有厚度為6.54 m 的粉砂巖、細(xì)砂巖，為了考慮穿層定向長(zhǎng)鉆孔成孔效果，將定向長(zhǎng)鉆孔布置在砂巖中，提高穿層定向長(zhǎng)鉆孔的覆蓋面積及利用率。穿層定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表3 所示。

表3 穿層定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of cross?bed directional long boreholes

4.2 穿層定向長(zhǎng)鉆孔施工工藝

4.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

一級(jí)孔徑193 mm，孔深自開(kāi)孔位置至煤巖交界處，下入?127 mm 鐵質(zhì)套管；二級(jí)孔徑98 mm 至終孔。

套管型號(hào)及長(zhǎng)度：?127 mm 鐵質(zhì)套管，長(zhǎng)度為自開(kāi)孔位置至煤巖交界處。

4.2.2 開(kāi)孔

開(kāi)孔采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，主要目的是安裝孔口管和孔口四通裝置，并連接抽采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊抽采，防止鉆孔施工過(guò)程中瓦斯超限。

（1）先導(dǎo)孔采用“?98 mm PDC 鉆頭+?73 mm大通徑寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合，在煤層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至煤巖交界處。

（2）二次擴(kuò)孔采用“?133 mm PDC 擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm 大通徑寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至煤巖交界處。

（3）三次擴(kuò)孔采用“?193 mm PDC 擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm 大通徑寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至煤巖交界處。

（4）按設(shè)計(jì)要求下入?127 mm 鐵質(zhì)套管，并進(jìn)行注漿固管。

4.2.3 定向鉆進(jìn)

定向鉆進(jìn)主要采用滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，同時(shí)在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小階段，可以采取復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝［16］。

采用的定向鉆具組合：?98 mm PDC 鉆頭+? 73 mm 液動(dòng)螺桿馬達(dá)+孔口供電測(cè)量系統(tǒng)+?73 mm 整體式螺旋隨鉆測(cè)量鉆桿，鉆進(jìn)至目標(biāo)孔深。

4.2.4 封孔

采用聚氨酯封孔器、電動(dòng)注漿泵、?127 mm 鐵質(zhì)套管（2 m/根）、?40 mm 注漿管（返漿管）、塑料軟管、封孔袋、聚氨酯、水泥等材料。采用“兩堵兩注”封孔方法，對(duì)鉆孔外段20 m 范圍帶壓注漿封孔。兩堵是采用聚氨酯封孔器封堵，封堵段為鉆孔0～2 m和18～20 m 處；兩注是對(duì)中間2～18 m 段兩次帶壓注水泥漿。第一次注漿返漿后，關(guān)閉返漿管球閥，加壓注漿，壓力達(dá)到0.5 MPa 時(shí)停止注漿，間歇2 h 后，待漿液沉淀，水分滲透到煤體再次加壓注漿，注漿泵壓力達(dá)到1.5 MPa 后，注漿結(jié)束。

4.3 穿層定向長(zhǎng)鉆孔施工情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工了4 個(gè)大直徑穿層定向長(zhǎng)鉆孔，1號(hào)孔深 399.0 m，2 號(hào)孔深 394.5 m，3 號(hào)孔深 394.5 m，4 號(hào)孔深393.0 m，最大鉆孔孔徑193 mm，鉆進(jìn)總進(jìn)尺1581 m，平均孔深395.25 m，施工統(tǒng)計(jì)如表4 所示，實(shí)鉆軌跡如圖3 所示。

圖3 穿層定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡Fig.3 As?drilled trajectories of the cross?bed directional long boreholes

表4 穿層定向長(zhǎng)鉆孔施工統(tǒng)計(jì)Table 4 Drilling data of cross?bed directional long boreholes

5 瓦斯抽采效果

硫磺溝煤礦（9-15）08 號(hào)工作面4 個(gè)穿層定向長(zhǎng)鉆孔施工完畢，開(kāi)始檢測(cè)瓦斯抽采效果。于2020 年11 月1 日開(kāi)始瓦斯負(fù)壓抽采，4 個(gè)穿層定向長(zhǎng)鉆孔均顯示瓦斯數(shù)據(jù)，截止到2021 年1 月7 日共67 d 持續(xù)穩(wěn)定抽采。其中3 號(hào)鉆孔最大抽采混合流量達(dá)到8.3 m3/min，最大抽采純量1.6 m3/min，瓦斯抽采濃度51%。4 個(gè)鉆孔平均瓦斯純量1.17 m3/min，瓦斯抽采效果顯著。4 個(gè)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)Table 5 Gas extraction data of the boreholes

6 結(jié)語(yǔ)

（1）采用 ZDY4000LD（C）型定向鉆機(jī)、YHD2-1000（A）型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、配套定向鉆具等，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)精準(zhǔn)控制鉆孔軌跡按照預(yù)設(shè)的目標(biāo)鉆進(jìn)延伸，大大提升了鉆孔軌跡控制精度，提高了鉆孔成孔率，鉆孔抽采效果顯著提高。

（2）4 個(gè)穿層定向長(zhǎng)鉆孔深度均突破300 m，最深孔深達(dá)到399 m，平均孔深395.25 m，鉆孔孔徑最大達(dá)到193 mm，突破了常規(guī)鉆機(jī)能力不足的缺陷，大大提高鉆孔抽采時(shí)效性。

（3）鉆孔平均瓦斯純量1.17 m3/min，鉆孔長(zhǎng)達(dá)67 d 持續(xù)穩(wěn)定抽采，保證了工作面瓦斯?jié)舛忍幱诎踩珔^(qū)間，為煤礦綜合機(jī)械化采煤提供了安全保障。