長距離千米定向鉆孔煤與瓦斯共采技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：煤層群首采工作面回采時，上下鄰近層產(chǎn)生卸壓作用，卸壓瓦斯大量解析，利用定向長鉆孔抽采鄰近層和本煤層解析出的瓦斯，達到在開采煤層的同時抽采瓦斯資源，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。長距離千米定向鉆孔具有鉆孔孔徑大、長度長、瓦斯抽采濃度高、抽采瓦斯時間長的特點，能夠有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，還可以超前回采強化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隱患、縮短預(yù)抽期，有利于緩和采掘接續(xù)緊張的矛盾，文章分析了煤與瓦斯共采的理論基礎(chǔ)研究和長距離千米定向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：長距離;千米定向鉆孔;煤與瓦斯共采

引言

高瓦斯礦井瓦斯事故的隱患極大，消除瓦斯事故隱患需要花費較多的時間、空間和費用，同時機械化采掘設(shè)備很難發(fā)揮效用，煤巷掘進速度通常都難以超過100m/月，回采工作面產(chǎn)量通常難以超過100萬t/a。因此，高瓦斯隱患極大地限制了煤礦生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的提高。同時在開采高瓦斯近距離煤層群時，煤層瓦斯含量豐富，采用傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法不僅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空氣中污染大氣，浪費資源。

煤層群首采工作面回采時，上下鄰近層產(chǎn)生卸壓作用，卸壓瓦斯大量解析，利用定向長鉆孔抽采鄰近層和本煤層解析出的瓦斯，達到在開采煤層的同時抽采瓦斯資源，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。定向長鉆孔具有鉆孔孔徑大、長度長、瓦斯抽采濃度高、抽采瓦斯時間長的特點，能夠有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，還可以超前回采強化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隱患、縮短預(yù)抽期，有利于緩和采掘接續(xù)緊張的矛盾，同時還在于實現(xiàn)了抽采瓦斯工藝技術(shù)的變革，即將傳統(tǒng)的多點分散式打鉆抽采變?yōu)榧胁伎壮椴?，使抽采瓦斯的管理更為集中化、科學(xué)化，使定向長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)工藝在我國得到廣泛推廣應(yīng)用，進一步縮短在抽采瓦斯技術(shù)工藝方面同發(fā)達國家的差距。

1煤與瓦斯共采的理論基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

我國含煤地層一般都在成煤后遭受到強烈構(gòu)造運動，普遍具有低滲透率和高可塑性的特點，形成低透氣性的高可塑性結(jié)構(gòu)，使得沿煤層打鉆孔困難，煤層采前預(yù)抽效果較差，同時也使得地面瓦斯抽采效果較差，嚴重限制了我國煤礦井下的瓦斯抽采。我國對煤層瓦斯資源的主要采用煤礦井下抽采，利用煤礦井下的開拓掘進和煤層的回采產(chǎn)生的采動影響，增加本煤層和相鄰煤層的透氣性，將低透氣性煤層轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高滲透率的煤層，然后通過打鉆孔和其它各種有效技術(shù)進行煤層瓦斯的抽采。因此，煤層覆巖采動裂隙產(chǎn)生和分布規(guī)律及瓦斯在裂隙中的流動規(guī)律的研究對我國煤層瓦斯抽采非常重要。

劉天泉院士等對采場上覆巖層移動破斷與采動裂隙分布規(guī)律提出了“橫三區(qū)”、“豎三區(qū)”的總體認識，即沿工作面推進方向煤層上覆煤巖層將分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，在垂直方向上，由下往上巖層移動分為垮落帶、斷裂帶、整體彎曲下沉帶，并經(jīng)過實踐總結(jié)得出冒落帶、裂隙帶高度的經(jīng)驗計算公式。為了掌握煤層回采后采動裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律，更好地適應(yīng)煤礦瓦斯抽采實踐的需求，錢鳴高院士等于1996年提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論，它深入分析研究了煤層回采時，工作面頂?shù)装鍘r層內(nèi)部移動的動態(tài)過程和巖層采動裂隙分布和演化布規(guī)律，有效指導(dǎo)了煤礦瓦斯抽采，成為瓦斯抽采的理論基礎(chǔ)。

基于關(guān)鍵層理論，一些學(xué)者對覆巖采動裂隙的分布和演化規(guī)律開展了深入研究，得出了如下結(jié)論：1）巖層移動過程中的離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下，覆巖離層最大發(fā)育高度止于覆巖主關(guān)鍵層。2）沿工作面推進方向，關(guān)鍵層下離層動態(tài)發(fā)育過程呈現(xiàn)兩階段：即關(guān)鍵層（基本頂）初次破斷前，隨著工作面推進，關(guān)鍵層下方的離層量不斷增大，最大離層位于采空區(qū)中部。關(guān)鍵層（基本頂）初次破斷后，基本頂垮落，垮落的巖石充填在采空區(qū)中，采空區(qū)中部首先趨于壓實，而在采空區(qū)四周由于煤柱的支撐仍保持離層狀態(tài)，在平面上看，在采空區(qū)四周形成一沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，稱為采動裂隙“O”形圈，隨著工作面開采的不斷前移，頂板離層裂隙呈“O”形向前發(fā)展。3）水與瓦斯主要通過貫通的豎向破斷裂隙涌入工作面，這些豎向破斷裂隙起到導(dǎo)水、導(dǎo)氣的作用，故也稱為“導(dǎo)水、導(dǎo)氣”裂隙。當工作面推進到一定距離后，“導(dǎo)氣”裂隙的分布也同樣呈“O”形特征，它是正常回采期間鄰近層卸壓瓦斯流向采空區(qū)的主要通道。

錢鳴高院士、繆協(xié)興教授等提出了煤層開采后上覆巖層中會形成兩類裂隙：一類是離層裂隙，是隨巖層下沉在層與層間出現(xiàn)的巖層面裂隙，它使煤層產(chǎn)生膨脹變形而使瓦斯卸壓，另一類裂隙為豎向裂隙，是隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙，它溝通了上、下巖層間瓦斯以及水的通道。

2國內(nèi)外煤與瓦斯共采應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的煤礦瓦斯研究開始于50年代煤礦井下的瓦斯抽放，主要集中在撫順、陽泉等高瓦斯礦區(qū)，抽采出的瓦斯大部分排放到大氣中，污染大氣的同時浪費了寶貴的資源。60年代到70年代，國內(nèi)煤礦逐漸認識到瓦斯資源的利用價值，部分礦區(qū)抽采的煤礦瓦斯氣體逐漸投入民用和小規(guī)模的工業(yè)利用。70年代末期，一些礦井進行了地面瓦斯抽采試驗，將瓦斯資源從煤炭能源中獨立出來，作為單獨的能源開采，主要集中于撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦，并進行了壓裂實驗，但是抽采效果不佳?！傲濉逼陂g，煤炭、石油以及地質(zhì)等行業(yè)相互合作，通過國家重點科技攻關(guān)項目對煤礦瓦斯資源進行區(qū)域性評價和基礎(chǔ)理論研究?！捌呶濉逼陂g，設(shè)立了“我國煤層甲烷的富集條件及資源評價”項目專題，對我國煤層氣資源從總體上做出初步認識。1989年，在沈陽首次召開了“開發(fā)煤層氣研討會”，會議上對瓦斯的認識有了根本性的改變，由“瓦斯災(zāi)害”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?yōu)質(zhì)能源”?！鞍宋濉逼陂g，設(shè)立了“有利區(qū)塊煤層吸附氣開發(fā)研究”國家科技攻關(guān)項目專題。此后，煤層瓦斯的研究重點轉(zhuǎn)移到抽采工藝上。1992年和1993年，我國的“中國煤層氣資源開發(fā)”項目和“中國深層煤層氣勘探”項目得到聯(lián)合國全球環(huán)境基金資助，推動了中國煤層氣的勘探開發(fā)的發(fā)展。1996年以后，科技攻關(guān)項目“煤層氣選區(qū)評價與配套工藝技術(shù)”和“新集淺層煤層氣示范開發(fā)成套工藝技術(shù)及專用裝備研究”等一批有影響的國家級研究項目和規(guī)劃相繼完成，對礦井瓦斯的抽采逐步深入。到目前為止，全國范圍內(nèi)的煤層瓦斯資源的分布、儲存特征取得了基礎(chǔ)性認識，圈定了煤層瓦斯資源開發(fā)的有利地區(qū)。但是由于我國的煤層瓦斯普遍具有瓦斯壓力低，滲透率低等特點，采用地面抽采瓦斯的方法不能很好解決井下瓦斯問題。現(xiàn)階段，瓦斯資源的開發(fā)利用逐漸由地面煤層氣開發(fā)轉(zhuǎn)向井下瓦斯抽采，并形成了一套完整的井下瓦斯抽采體系。

錢鳴高院士首次提出了“煤礦綠色開采”的概念，煤與瓦斯共采技術(shù)是綠色開采的重要組成部分之一，其研究內(nèi)容和發(fā)展方向具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

美國以地面鉆孔瓦斯抽采（煤層氣開發(fā)）為主，1981年開始從事煤層氣商業(yè)化開采，1989年取得突破性進展，1991年產(chǎn)量超過90億m3，1994年達到215 億m3，其中，在未開采礦區(qū)抽出180億m3，占總產(chǎn)量的83.7%，12個生產(chǎn)礦井抽出35億m3。目前美國年抽出瓦斯量已接近400億m3，巨大的瓦斯抽采量已成為美國一個重要的能源開發(fā)產(chǎn)業(yè)。美國12座礦井從事煤層氣工業(yè)化開采，大大減少了礦井通風(fēng)費用，改善了生產(chǎn)安全條件，從根本上防止了瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，并向市場銷售了大量的高質(zhì)量氣體，產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟效益。

英國生產(chǎn)礦井的瓦斯抽采率達到45%以上，抽出的瓦斯全部被利用。英國在廢棄礦井瓦斯抽采方面也取得成功，抽采廢棄礦井的瓦斯用于發(fā)電，獲取了新的潔凈能源，同時減少廢棄礦井瓦斯向大氣泄露，減少了對環(huán)境的污染。

澳大利亞也是世界上主要產(chǎn)煤國之一，他們對瓦斯抽采也極為重視。澳大利亞立法規(guī)定，煤層瓦斯含量高于10m3/t時必須進行抽采，只有當瓦斯含量低于10 m3/t時方可在足夠供風(fēng)條件下布置采掘工程。澳大利亞BHP公司在鮑恩和悉尼盆地實施的煤層氣開發(fā)計劃中，在鮑恩盆地北部的布羅德梅多地區(qū)試驗過未開采區(qū)地面鉆孔煤層氣開發(fā)，但由于煤層滲透性差、水力壓裂成本高、效率低，使開發(fā)在經(jīng)濟上成為不可行，因此澳大利亞目前主要還是在煤礦井下抽瓦斯。澳大利亞悉尼和鮑恩煤田廣泛采用井下水平鉆孔和斜交鉆孔抽采瓦斯，使煤層瓦斯含量降低到3～5 m3/t以下，基本上消滅了瓦斯災(zāi)害事故，抽出的瓦斯廣泛應(yīng)用于發(fā)電，也取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。

前蘇聯(lián)是世界上煤層氣資源量最豐富的國家之一，前蘇聯(lián)抽采瓦斯僅為解決煤礦瓦斯安全問題，沒能夠有效利用煤礦瓦斯資源。前蘇聯(lián)的瓦斯抽采量在1985就超過了21億m3，有效控制了煤礦瓦斯事故。加拿大煤層氣資源量含量豐富，占世界第二位，其瓦斯的抽采主要是地下抽采，地面鉆孔抽采瓦斯仍處于勘探試驗階段，據(jù)預(yù)測，隨著瓦斯抽采技術(shù)的提高和對瓦斯資源的重視，加拿大煤層氣工業(yè)化開發(fā)的進程將會加快發(fā)展。波蘭煤層瓦斯主要賦存在下西里西亞、上西里西亞和蘆布林盆地礦區(qū)，目前近上西里西亞18座煤礦井下年抽采瓦斯量就達到9.12億m3，年利用瓦斯量2.82億m3，有效治理了煤礦瓦斯災(zāi)害。

3長距離千米定向鉆孔瓦斯抽采研究現(xiàn)狀

在國外水平定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)已經(jīng)比較成熟。早期定向鉆孔應(yīng)用于石油鉆采和地質(zhì)勘探，至今已有六、七十年的歷史，在幾代科研和工程技術(shù)人員的共同努力下，已經(jīng)取得了豐碩的科研成果，形成了比較完善的理論和與之配套的系列測量和控制裝備。

在國外，水平長鉆孔抽采瓦斯的試驗起步較早，技術(shù)較為先進。英國從五十年代后期開始研制鉆進水平長距離鉆機設(shè)備及鉆具，并成功在煤層中鉆進出137m長的水平鉆孔，但僅研究分析了在鉆進過程中鉆頭位置的改變對鉆進軌跡的影響。前蘇聯(lián)是最早利用頂板水平長鉆孔抽采采空區(qū)的瓦斯的國家，在工作面回風(fēng)巷向煤層頂板掘上山斜巷，當達設(shè)計層位后，在斜巷末端平行煤層迎工作面推進方向鉆進水平巖石鉆孔，成孔孔徑在Φ90mm～100mm之間，鉆孔最大長度為150m。德國最先采用三翼導(dǎo)向鉆頭鉆進煤層鉆孔，在魯爾礦區(qū)一個僅厚0.75m的薄煤層中，打了4個成孔長度在200m以上的水平定向長鉆孔。日本太平洋礦為抽采鄰近層瓦斯，在迎工作面推進方向鉆進了3個長度在1000m以上的特長水平巖石鉆孔，單孔瓦斯抽采量在0.034～0.05m3/s之間，抽采瓦斯?jié)舛染?0%以上。美國水平長鉆孔抽采瓦斯的技術(shù)較為成熟，在七十年代初就已經(jīng)開始在煤礦井下大規(guī)模利用水平長鉆孔抽采瓦斯，如美國礦業(yè)局匹茲堡煤層鉆井7個長度為152～259m的煤礦井下水平鉆孔，平均單孔抽采瓦斯量為0.024m3/s，在抽采的5年多的時間里共抽采了25.9Mm3的瓦斯;在1973年美國礦業(yè)局又在匹茲堡煤層鉆進了5個水平長鉆孔，最長成孔長度在700m以上，在抽采期間共抽出24.4Mm3的瓦斯;隨后美國研制成功了孔底動力馬達鉆機和定向監(jiān)測設(shè)備（DDM），孔底動力馬達主要配備迪納鉆具或耐維鉆具，這些先進裝備的研制成功使美國在煤礦井下水平鉆進技術(shù)躍居世界領(lǐng)先地位，據(jù)有關(guān)文獻報道，美國煤礦井下最長水平定向鉆孔為1432.56m。煤礦井下水平長鉆孔在美國的應(yīng)用取得了顯著的效果，抽出了大量的煤層瓦斯資源，有效在降低了回采工作面的瓦斯涌出量，保證了工作面安全高效生產(chǎn)，工作面回采時瓦斯涌出量降低了70%以上。從美國井下水平長鉆孔抽采瓦斯的研究和應(yīng)用成果可以看出：井下水平長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯能夠起到顯著的瓦斯治理效果，但其大規(guī)模推廣應(yīng)用取決于煤層透氣性、鉆機設(shè)備、合理的鉆進參數(shù)和精確定向技術(shù)等因數(shù)。

我國在井下水平定向長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)要晚于國外，在國家“八五”科技攻關(guān)時，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院使用由美國引進的“Coal Master”600m強力鉆機在鐵法礦務(wù)局曉南礦進行井下煤層頂板巖石水平定向長鉆孔抽采瓦斯的試驗研究，在煤層頂板迎工作面推進方向鉆進34個鉆孔，累計成孔長度達到5192.23m，共抽采瓦斯14個月，累計抽采純瓦斯量3.1022Mm3，工作面的瓦斯抽采率達36.6%，鄰近層瓦斯抽采率達73.1%，取得了顯著的效果。實踐證明，該技術(shù)的關(guān)鍵是保證鉆孔打在工作面的裂隙帶中。國家“九五”科技攻關(guān)期間，常村礦和南山礦試驗了在煤層中鉆進定向長鉆孔技術(shù)，最長煤層水平定向鉆孔達到252m，本煤層瓦斯抽采率達到25%以上。國家“九五”科技攻關(guān)期間，平煤集團公司從澳大利亞引進2臺千米鉆機，進行頂板水平長鉆孔抽采瓦斯試驗，成孔長度超過500m。同期，在陽泉一礦進行的巖石水平長鉆孔抽采鄰近層瓦斯的試驗中，單孔平均抽采量達到20.3m3/min。

水平長鉆孔的成孔率直接影響瓦斯的抽采效果，而決定成孔率高低的關(guān)鍵是鉆孔的定向鉆進技術(shù)，這就需要合理的鉆進工藝和高效的鉆具設(shè)備。由于我過水平定向長鉆孔鉆進技術(shù)起步較晚，尚無成熟的鉆進經(jīng)驗，各試驗礦井都是在實踐中積累經(jīng)驗，同時我國的鉆具設(shè)備也沒有國外發(fā)到，經(jīng)常導(dǎo)致鉆孔成孔長度不長，鉆孔軌跡無法按照設(shè)計路線鉆進，成孔率不高，嚴重制約了井下水平長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)在我國高瓦斯礦井的推廣應(yīng)用。

國內(nèi)外對井下長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)的大量試驗表明，該技術(shù)抽采瓦斯具有顯著的優(yōu)點，是今后煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。由于其適用范圍廣，既可用于抽采采空區(qū)的瓦斯，又可用于采前預(yù)抽，還可抽采上、下鄰近層的瓦斯，因此具有極大的推廣價值和廣闊的發(fā)展前途。

4結(jié)論

煤層群首采工作面回采時，上下鄰近層產(chǎn)生卸壓作用，卸壓瓦斯大量解析，利用定向長鉆孔抽采鄰近層和本煤層解析出的瓦斯，達到在開采煤層的同時抽采瓦斯資源，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。定向長鉆孔具有鉆孔孔徑大、長度長、瓦斯抽采濃度高、抽采瓦斯時間長的特點，能夠有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，還可以超前回采強化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隱患、縮短預(yù)抽期，有利于緩和采掘接續(xù)緊張的矛盾，文章分析了煤與瓦斯共采的理論基礎(chǔ)研究和長距離千米定向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

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作者簡介

何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)研究。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：202110977009）。