祁東煤礦近距離煤層群瓦斯治理頂板攔截定向鉆孔試驗

張朝舉， 方俊， 楊亞黎， 王鮮， 楊小繼

(1.恒源煤電集團(tuán)有限公司祁東煤礦，安徽 宿州 234000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

近距離煤層群廣泛分布于我國兩淮、貴州六盤水、山西大同、河南平頂山等礦區(qū)，其賦存地層條件復(fù)雜、瓦斯來源多、范圍廣，瓦斯抽采治理和煤層開采難度大[1]。

針對近距離煤層群瓦斯治理問題，許多學(xué)者開展了大量研究。李家卓等[2]研究了近距離煤層氣開采時上賦巖層破壞及裂隙發(fā)育變化規(guī)律。程志恒等[3]提出地面井與井下鉆孔相結(jié)合的井上下聯(lián)合防突技術(shù)體系。丁勇等[4]分析了二次卸壓瓦斯運(yùn)移與富集區(qū)分布規(guī)律。薛彥平[5]提出了順層預(yù)抽+高抽巷+采空區(qū)埋管的治理方法。鄧成均[6]提出了穿層鉆孔+順層鉆孔+高抽巷+反井鉆孔的立體抽采方法。劉雪莉等[7]提出了弱突出煤層保護(hù)層開采與鉆孔立體抽采上下遞進(jìn)保護(hù)的治理方法。以上理論技術(shù)在不同礦井取得了良好應(yīng)用效果，但均需要聯(lián)合使用地面井、井下巖石巷道、井下常規(guī)孔等多種手段，瓦斯治理工程量大、成本高、周期長。

安徽恒源煤電股份有限公司祁東煤礦為皖北煤電集團(tuán)下屬的煤與瓦斯突出礦井，其94采區(qū)近距離煤層群發(fā)育，采區(qū)內(nèi)煤層數(shù)量多、賦存不穩(wěn)定、間距小、煤體結(jié)構(gòu)松軟易碎、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，采用底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔的方式進(jìn)行瓦斯治理，未取得理想效果[8]。針對祁東煤礦94采區(qū)近距離煤層群瓦斯治理需要，提出采用頂板攔截定向鉆孔進(jìn)行瓦斯治理的方法。首先在開采煤層頂板施工帶有多個上向分支孔的頂板攔截定向鉆孔，然后利用上向分支孔提前對上鄰近煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，最后利用主孔在煤層回采過程中對上鄰近煤層卸壓瓦斯和開采煤層回采工作面及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采, 解決了瓦斯賦存參數(shù)測量、復(fù)雜破碎地層定向成孔與護(hù)孔等難題。

1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯方法

1.1 方法原理

近距離煤層群開采過程中，鄰近層卸壓瓦斯易沿穿層裂隙涌入回采工作面或采空區(qū)，可能導(dǎo)致回采工作面或采空區(qū)瓦斯超限、管理困難，存在重大安全隱患。

頂板攔截定向鉆孔是在開采煤層頂板施工定向鉆孔，既可利用上向分支孔提前對上部煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，又可利用主孔在煤層回采過程中攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，還可作為開采層的頂板高位鉆孔抽采回采工作面和采空區(qū)瓦斯[9-10]，提高近距離煤層群瓦斯治理效果。

頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯原理如圖1所示，在待采煤層上部頂板巖層中施工定向鉆孔，并盡可能將鉆孔高度布置于待采煤層頂板裂隙帶內(nèi)，鉆孔走向沿待采煤層工作面延伸，并間隔一定距離施工分支鉆孔進(jìn)入上鄰近煤層中，鉆孔成孔后在孔內(nèi)下入篩管護(hù)孔并在孔口連接瓦斯抽采管路。煤層回采前，利用進(jìn)入煤層的分支鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，提前降低臨近煤層瓦斯含量，減少后期采動卸壓瓦斯涌出量；待采煤層開始回采后，頂板巖層破壞形成穿層裂隙，同時上鄰近煤層卸壓后透氣性增加、瓦斯快速解吸釋放，此時利用頂板攔截定向鉆孔既可攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，防止其通過穿層裂隙涌入回采工作面或采空區(qū)，又可抽采回采工作面和采空區(qū)內(nèi)瓦斯，從而解決近距離煤層群卸壓瓦斯抽采問題。

圖1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)原理

1.2 工藝流程

頂板攔截定向鉆孔施工時，先采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工孔口套管段，目的是固定孔口管以封固孔口不穩(wěn)定地層、提供瓦斯抽采管路連接接口。套管孔段長度一般為9～12 m，施工時先鉆進(jìn)小直徑先導(dǎo)孔，再采用回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)擴(kuò)大孔徑，以滿足孔口管下放要求，注漿固管合格后即可施工定向孔段。定向孔段采用前進(jìn)式開分支定向鉆進(jìn)工藝施工，按照設(shè)計要求間隔一定距離施工分支孔使其進(jìn)入上鄰近煤層。首先根據(jù)需要進(jìn)行保壓密閉取芯，測定煤層瓦斯含量；然后退鉆至預(yù)留分支點(diǎn)處，側(cè)鉆分支回到主孔中繼續(xù)沿設(shè)計軌跡鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計深度；最后退出孔內(nèi)所有定向鉆具，下入護(hù)孔篩管，連接抽采管路進(jìn)行瓦斯抽采。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 頂板攔截定向鉆孔施工工藝流程

1.3 技術(shù)難點(diǎn)

頂板攔截定向鉆孔設(shè)計與施工是實現(xiàn)近距離煤層群瓦斯抽采治理的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，其主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

(1)煤層瓦斯參數(shù)和賦存情況是進(jìn)行定向鉆孔設(shè)計的基礎(chǔ)，而近距離煤層群經(jīng)常出現(xiàn)鄰近煤層厚度薄、煤體碎軟、賦存不穩(wěn)定等情況，常規(guī)的鉆屑取樣、套管取樣、繩索取芯、負(fù)壓氣動取樣等方法無法準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量，獲取煤層賦存參數(shù)，導(dǎo)致定向鉆孔設(shè)計缺乏依據(jù)，且難以確保沿目標(biāo)地層延伸。

(2)近距離煤層群受形成過程中遭遇的多期次地質(zhì)構(gòu)造作用，煤層之間的地層一般機(jī)械強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)劣化，易坍塌破壞，鉆進(jìn)安全風(fēng)險大，成孔深度受限。

(3)定向鉆孔瓦斯攔截抽采功能主要通過采前預(yù)抽和采動卸壓抽采實現(xiàn)，其在目標(biāo)地層中的延伸距離長，預(yù)抽階段抽采時間長；近距離煤層開采時，受采動影響，地層變形破壞量大，鉆孔孔壁易坍塌堵塞抽采通道，導(dǎo)致定向鉆孔報廢失效。

2 頂板攔截定向鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)頂板攔截定向鉆孔設(shè)計與施工難題，研究采用定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術(shù)、復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)、鋼篩管完孔技術(shù)，實現(xiàn)近距離煤層群中頂板攔截定向鉆孔高效成孔和長距離精準(zhǔn)瓦斯測定。

2.1 定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術(shù)

采用定向鉆孔進(jìn)行煤層探查與保壓密閉取芯的技術(shù)原理：采用前進(jìn)式開分支技術(shù)，通過施工多個上向分支孔獲取煤層的變化情況；在探煤后的上向分支孔內(nèi)，利用保壓密閉取芯裝置(圖3)進(jìn)行煤樣采取，減少煤層瓦斯逸出量，保證采樣質(zhì)量，實現(xiàn)單孔多次定點(diǎn)取樣[11]。

圖3 保壓密閉取芯裝置

定向鉆孔煤層探查工藝流程：鉆孔施工過程中，每隔一定距離(50 m左右)，人為控制鉆孔軌跡，增大鉆孔傾角，使鉆孔向上靠近上鄰近煤層，根據(jù)探查到煤層時的鉆孔軌跡坐標(biāo)，計算出煤層傾角；后退一定距離，從巖層孔段側(cè)鉆出分支孔，保持與上鄰近煤層的距離并向前鉆進(jìn)延伸。

采用定向鉆孔進(jìn)行保壓密閉取芯的工藝流程：當(dāng)上向分支孔進(jìn)入煤層后，將鉆孔沖洗干凈，退出定向鉆具，下入保壓密閉取樣鉆具，下鉆至孔底后開啟泥漿泵，保持排量≤100 L/min，以50～80 r/min、0.2～0.3 m/min的速度回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)1.2～1.5 m后停止，向鉆具內(nèi)投入特制橡膠球，再開啟泥漿泵，以200 L/min以上排量向鉆具內(nèi)供水至泥漿泵壓力突然明顯增大，說明密閉取芯裝置已剪斷煤樣并將其密封在取樣內(nèi)筒中，隨后快速退出取樣鉆具，取出取樣內(nèi)筒進(jìn)行氣密性測試，合格后即可按常規(guī)流程測試煤層瓦斯含量。

利用定向鉆孔進(jìn)行煤層探查和瓦斯測試，充分發(fā)揮了定向鉆孔軌跡控制精度高、延伸距離長、多分支的技術(shù)優(yōu)勢，可準(zhǔn)確獲取區(qū)域煤層賦存變化情況，并可有效提高取樣距離、取樣成功率和煤層瓦斯含量測試準(zhǔn)確度。

2.2 復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)

復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)產(chǎn)生的鉆渣數(shù)量巨大，現(xiàn)有滑動定向鉆進(jìn)工藝施工時鉆桿不轉(zhuǎn)動，且鉆具多為外平結(jié)構(gòu)，僅依靠沖洗液動力進(jìn)行排渣，其排渣效率低，極易發(fā)生沉渣卡鉆事故。同時，頂板攔截定向鉆孔為近水平布置，鉆孔排渣方向與鉆渣重力方向不一致，加大了鉆孔排渣難度。

針對頂板攔截定向鉆孔鉆渣清除難題，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)提高排渣效率[12-13]。復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)采用“滑動造斜+復(fù)合穩(wěn)斜”的鉆進(jìn)模式，當(dāng)實鉆軌跡與設(shè)計軌跡偏離較大時，鉆機(jī)不回轉(zhuǎn)，孔內(nèi)造斜鉆具滑動定向鉆進(jìn)進(jìn)行軌跡糾偏，使其回到可控范圍內(nèi)；當(dāng)實鉆軌跡與設(shè)計軌跡偏離不大時，利用鉆機(jī)低速回轉(zhuǎn)，使孔內(nèi)造斜鉆具處于穩(wěn)斜狀態(tài)，保持鉆孔向前穩(wěn)定施工。

復(fù)合排渣技術(shù)原理如圖4所示，利用螺旋、三棱、三棱螺旋等異形結(jié)構(gòu)鉆具回轉(zhuǎn)機(jī)械排渣和沖洗液水力循環(huán)排渣協(xié)同作用，提高排渣效果[9-11]。施工過程中，當(dāng)采用滑動定向鉆進(jìn)糾偏時，鉆具不旋轉(zhuǎn)，此時僅沖孔液正循環(huán)進(jìn)行排渣，回次鉆進(jìn)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行復(fù)合排渣，高效清除孔內(nèi)沉渣；當(dāng)采用復(fù)合鉆進(jìn)時，鉆具處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，鉆進(jìn)過程中沖洗液循環(huán)排渣的同時，鉆具旋轉(zhuǎn)攪動，實現(xiàn)復(fù)合排渣。此外，異形鉆具旋轉(zhuǎn)過程中可二次破碎大顆粒鉆渣，降低鉆渣顆粒粒徑，且有利于維持不穩(wěn)定地層段孔壁穩(wěn)定性，降低泥巖縮徑抱鉆風(fēng)險。

2.3 鋼篩管完孔技術(shù)

采用篩管完孔技術(shù)可確保鉆孔作為瓦斯抽采通道長期保持?，F(xiàn)有篩管完孔技術(shù)主要應(yīng)用于常規(guī)鉆孔，其篩管下入直徑小、距離短，而定向鉆孔深度大、多分支，篩管下入阻力大，且易下入分支孔內(nèi)。針對定向鉆孔篩管完孔難題，為避免頂板采動卸壓作用切斷篩管，選用鋼篩管(圖5)進(jìn)行完孔；為提高瓦斯抽采通道面積，鋼篩管直徑設(shè)計為73 mm；為避免篩管下入分支孔，開發(fā)了專用篩管導(dǎo)向頭，通過前端引導(dǎo)，確保沿主孔下入至孔底；利用鉆機(jī)提供下管動力，降低下管勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)“鉆到位、管到底”。

(a)鋼篩管

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗區(qū)概況

祁東煤礦94采區(qū)位于井田西部，為礦井規(guī)劃的下一個采區(qū)，其面積約為2.66 km2。采區(qū)地層平均傾角約為14°，含煤層9層，其中主要可采煤層有61，71，82，9，部分不可采煤層在采區(qū)內(nèi)賦存不穩(wěn)定，煤層厚度與間距見表1。經(jīng)測定61，71，82，9煤層最大瓦斯壓力分別為2.71，2.90，2.82，3.30 MPa，對應(yīng)最大瓦斯含量分別為12.67，12.21，14.75，11.5 m3/t。

表1 94采區(qū)煤層厚度與煤層間距

現(xiàn)場試驗選定在63煤層與71煤層之間施工頂板攔截定向鉆孔。63煤層厚度為0～1.61 m，平均厚度為0.94 m，在采區(qū)部分區(qū)域內(nèi)缺失，屬極不穩(wěn)定煤層；71煤層厚度為0.96～2.32 m，平均厚度為1.90 m，堅固性系數(shù)f=0.30～0.52，煤層厚度變化較大，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜；71煤層上距63煤層16.13～28.85 m，平均為19.95 m，71煤層基本頂為淺灰色-灰白色細(xì)粒石英砂巖，石英為主，次為長石，斷續(xù)波狀層理，分選中等，泥、硅質(zhì)膠結(jié)，中下部楔形層理、斜層理，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，底部可見泥質(zhì)包體。

3.2 鉆孔設(shè)計

設(shè)計71煤層頂板攔截定向鉆孔1個，鉆孔自63煤層底板開孔后沿63煤層以下2～3 m的底板巖層延伸，設(shè)計主孔長度≥600 m，分支孔數(shù)≥5個，分支孔進(jìn)入63煤層后停止鉆進(jìn)，設(shè)計利用分支孔進(jìn)行2次定點(diǎn)保壓密閉取芯，鉆孔完成后下入φ73 mm鋼篩管完孔。頂板攔截定向鉆孔主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 71煤層頂板攔截定向鉆孔主要設(shè)計參數(shù)

3.3 試驗裝備組成

針對頂板攔截定向鉆孔施工需要，選用ZDY6000LD(B)型煤礦用坑道鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，該鉆機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合進(jìn)行大直徑近水平定向深孔鉆進(jìn)[14]。選用BLY390/12型全液壓泥漿泵車提供高壓沖洗液，其額定輸出壓力為12 MPa，可實現(xiàn)泵量0～390 L/min無級調(diào)節(jié)[15]。同時，配套選用了礦用有線隨鉆測量系統(tǒng)、液動螺桿馬達(dá)、保壓密閉取芯裝置和護(hù)孔鋼篩管等[16]。試驗主要裝備見表3。

表3 試驗主要裝備

3.4 鉆孔施工

71煤層頂板攔截定向鉆孔自開始鉆進(jìn)至下入護(hù)孔篩管后完孔，歷時15 d，完成鉆孔1個，主孔深度為608 m，施工分支孔6個，鉆孔總進(jìn)尺為948 m，完成定點(diǎn)保壓密閉取芯2次，最大取芯深度為484 m，下入護(hù)孔篩管為485 m，鉆孔各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。鉆孔實鉆軌跡如圖6所示。

圖6 71煤層頂板攔截定向鉆孔實鉆軌跡

3.5 試驗效果分析

3.5.1 鉆進(jìn)效果分析

頂板攔截定向鉆孔施工時，孔口返渣量大，在孔深404 m和588 m處發(fā)生2次塌孔卡鉆事故，均采用震擊解卡和高速旋轉(zhuǎn)復(fù)合排渣的方式成功解卡，說明復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)改善了孔內(nèi)清潔程度，對于預(yù)防和處理孔內(nèi)事故具有積極作用。鉆孔成孔后，利用篩管完孔鉆具，順利下入篩管485 m，有效保障了鉆孔穩(wěn)定性和后期瓦斯抽采效果。

3.5.2 煤層探查與瓦斯含量測試效果

試驗區(qū)域整體未開發(fā)，現(xiàn)場試驗中利用施工的6個分支孔查清了71煤層上鄰近煤層63煤層、62煤層的賦存情況，如圖6所示，為后期鉆孔軌跡設(shè)計提供了依據(jù)。

經(jīng)測定瓦斯含量為9.26 m3/t，為瓦斯抽采效果分析評價提供了參考。

3.5.3 瓦斯抽采效果

鉆孔施工完成后，利用71煤層頂板攔截定向鉆孔對鄰近的63煤層、62煤層及煤線的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，抽采時間共207 d，抽采數(shù)據(jù)如圖7所示，初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.35 m3/min，抽采30 d后瓦斯抽采純量逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后雖然局部有波動，但瓦斯抽采純量整體穩(wěn)定在0.05 m3/min左右。

圖7 71煤層頂板攔截定向鉆孔瓦斯抽采情況

試驗結(jié)果表明，頂板攔截定向鉆孔可有效預(yù)抽鄰近煤層瓦斯，提前降低煤層瓦斯含量，從源頭上減少后期工作面回采時的采動卸壓瓦斯涌出量，對避免工作面回采時瓦斯超限具有重要作用。

現(xiàn)場試驗充分驗證了頂板攔截定向鉆孔的成孔效果，為近距離煤層群瓦斯抽采治理提供了基礎(chǔ)條件。為進(jìn)一步提高瓦斯抽采效果，應(yīng)結(jié)合后期煤層回采時采動卸壓瓦斯抽采情況，綜合分析定向鉆孔抽采效果，調(diào)整鉆孔布置位置，實現(xiàn)高效攔截抽采；應(yīng)考慮地層整體含水，優(yōu)化鉆孔設(shè)計，盡量采用上仰結(jié)構(gòu)，避免鉆孔積水導(dǎo)致抽采不暢；縮短分支孔間距，增加鄰近煤層中的延伸長度，提高瓦斯預(yù)抽效果。

4 結(jié)論

(1)針對近距離煤層群地層條件復(fù)雜、瓦斯來源多、范圍廣的問題，提出采用頂板攔截定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采治理的方法，利用定向主孔及其分支孔，從采前預(yù)抽和采動卸壓抽采2個方面，提高了近距離煤層群瓦斯抽采效果。

(2)試驗形成了適用于頂板攔截定向鉆孔施工的技術(shù)裝備，實現(xiàn)了頂板攔截定向鉆孔精準(zhǔn)高效成孔、可靠護(hù)孔和長距離定點(diǎn)保壓密閉取芯，為近距離煤層群的煤層賦存情況探測、瓦斯參數(shù)獲取、瓦斯預(yù)抽和采動卸壓攔截抽采提供了方法。

(3)在祁東煤礦94采區(qū)近距離煤層群中完成頂板攔截定向鉆孔1個，查明了上鄰近煤層的賦存情況和瓦斯含量，并對上鄰近煤層瓦斯進(jìn)行了預(yù)抽，初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.35 m3/min，抽采30 d后逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后穩(wěn)定在0.05 m3/min左右，有效降低了上鄰近煤層瓦斯含量，為祁東煤礦94采區(qū)煤層開采提供了技術(shù)保障。

(4)為進(jìn)一步提高頂板攔截定向鉆孔的瓦斯抽采效果，可縮短分支孔間距，增加分支孔在鄰近煤層中的延伸長度；在鄰近煤層賦存條件穩(wěn)定的情況下，嘗試分支孔沿煤層進(jìn)行定向鉆進(jìn)。