定向鉆孔預(yù)抽突出煤層煤巷條帶瓦斯技術(shù)研究

何玢潔，劉 飛(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層的賦存地質(zhì)條件呈多樣性和復(fù)雜性特征，煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸引起的災(zāi)害事故造成了嚴(yán)重的人員與財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。目前，煤礦井下主要采用開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯等措施進(jìn)行區(qū)域消突，但受地質(zhì)條件限制，部分煤礦不具備開采保護(hù)層的條件，隨著煤層開采深度的不斷增加，保護(hù)層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大，進(jìn)一步增大了保護(hù)層開采的難度[4]。根據(jù)最新修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定，不具備突出危險(xiǎn)區(qū)煤層開采保護(hù)層條件的，必須采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)[5]。

在突出煤層煤巷條帶掘進(jìn)之前，利用順層鉆孔或“底抽巷+穿層鉆孔”進(jìn)行煤巷條帶瓦斯預(yù)抽，已成為煤巷掘進(jìn)過程中消除突出危險(xiǎn)性的關(guān)鍵舉措。張明杰等[6]提出了單一煤層底抽巷條帶預(yù)抽防突技術(shù)，并采用水力沖孔增大煤層的透氣性，以提高瓦斯抽采效果。劉明舉等[7]針對(duì)煤層弱突出危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，提出采用113 mm大直徑順層鉆孔煤巷條帶瓦斯預(yù)抽，提高瓦斯抽采效果和煤巷掘進(jìn)速度。袁志剛等[8]針對(duì)低滲高突煤層瓦斯抽采難題，提出施工穿層鉆孔對(duì)煤巷條帶進(jìn)行水力壓裂，但順層鉆孔深度有限、鉆孔軌跡不可控，容易造成瓦斯抽采盲區(qū)，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第65條規(guī)定，復(fù)雜賦存地質(zhì)條件下突出煤層不得將順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。盡管“底抽巷+穿層鉆孔”措施在一定程度上解決了低滲突出煤層瓦斯抽采問題，但該措施施工周期長、成本高、抽采時(shí)間長，造成采掘銜接緊張。 因此，本文提出采用定向長鉆孔預(yù)抽突出煤層煤巷條帶瓦斯，基于貴州省青龍煤礦瓦斯賦存特征和煤巷條帶消突需要，開展了定向鉆孔在碎軟煤層煤巷條帶突出煤層瓦斯中的應(yīng)用研究，采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)解決碎軟煤層長距離定向成孔難題，并取得了顯著的鉆孔成孔和瓦斯抽采效果，可為類似礦井煤巷條帶消突提供重要借鑒。

1 地質(zhì)概況

青龍煤礦位于貴州省畢節(jié)市，屬于煤與瓦斯突出礦井，主要可采煤層為16#煤層、18#煤層，17#煤層局部可采，礦井采用保護(hù)層開采模式，16#煤層作為開采保護(hù)層，煤層平均可采厚度為2.88 m，17#煤層平均可采厚度為1.20 m，18#煤層平均可采厚度為3.18 m。主要可采煤層瓦斯基本參數(shù)見表1，由于煤層瓦斯含量高、壓力大、結(jié)構(gòu)破碎，導(dǎo)致瓦斯抽采治理難度大。

表1 各煤層瓦斯基本參數(shù)Table 1 Basic gas parameters of each coal seam

針對(duì)青龍煤礦突出煤層煤巷條帶預(yù)抽難題，采用“底抽巷+穿層鉆孔”預(yù)抽煤層瓦斯，即先在待掘巷道的底板設(shè)計(jì)施工底抽巷，通過上覆巖層卸壓來增大煤層的透氣性，然后在底抽巷中施工扇形分布穿層鉆孔，覆蓋待倔巷道及兩側(cè)一定范圍。但該方法施工成本高、效率低，同時(shí)由于青龍煤礦屬近距離煤層分布，且礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜、煤層起伏變化大，在底抽巷掘進(jìn)過程中可能發(fā)生誤揭煤等情況，發(fā)生瓦斯突出事故，造成重大的安全隱患。

2 技術(shù)原理

鉆孔瓦斯預(yù)抽是消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要措施。在煤巷條帶掘進(jìn)前，通過瓦斯抽采降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，釋放瓦斯突出潛能，以實(shí)現(xiàn)煤巷條帶快速消突的目的。定向鉆孔因其具有軌跡可控、深度大、瓦斯抽采效果好等優(yōu)勢(shì)已在煤礦井下瓦斯抽采中得到了廣泛應(yīng)用，2019年修訂《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定，區(qū)域防突措施可采用定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯。

首先，在突出煤層煤巷條帶掘進(jìn)迎頭布置鉆場(chǎng)，沿煤巷掘進(jìn)方向施工多組定向鉆孔覆蓋待掘巷道前方長度不小于300 m和煤巷兩側(cè)一定區(qū)域范圍?？组g距根據(jù)煤層的透氣性系數(shù)、抽采時(shí)間和有效抽采半徑等確定，必須確保兩孔之間不留瓦斯抽采空白帶，鉆孔直徑根據(jù)煤層硬度、瓦斯壓力、瓦斯含量和地應(yīng)力水平等確定，一般不超過120 mm。在鉆孔施工過程中，通過開分支技術(shù)探明煤層的頂?shù)装灏l(fā)育情況，利用定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)控的優(yōu)勢(shì)保證鉆孔主孔在煤層中有效延伸，提高煤層鉆遇率，進(jìn)而提高瓦斯抽采效果。當(dāng)鉆孔施工完成后提出孔內(nèi)定向鉆具，給孔內(nèi)下入篩管完孔，然后接入瓦斯抽放管路進(jìn)行負(fù)壓抽采，待抽采一段時(shí)間后再進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間和有效抽放半徑成正相關(guān)關(guān)系，如果效果校驗(yàn)合格則進(jìn)行煤巷掘進(jìn)，反之繼續(xù)進(jìn)行瓦斯抽采。

突出煤層一般具有瓦斯含量高、瓦斯壓力大、結(jié)構(gòu)破碎的特點(diǎn)，采用清水作為沖洗液進(jìn)行定向鉆孔施工，容易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等問題[9-10]。因此，采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔施工，即利用防爆礦用井下螺桿壓縮機(jī)輸出的壓風(fēng)作為沖洗液驅(qū)動(dòng)孔底空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆頭碎巖，同時(shí)進(jìn)行鉆孔軌跡精確調(diào)控，可有效降低對(duì)孔壁的沖刷和擾動(dòng)，從而提高成孔率和成孔深度[11-12]。此外，針對(duì)低滲突出煤層瓦斯抽采效果差、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長等問題，可通過水力壓裂、水力沖孔、深孔預(yù)裂爆破等措施對(duì)低滲突出煤層進(jìn)行增產(chǎn)改造，以提高煤層的透氣性系數(shù)和瓦斯抽采率，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

3 空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)關(guān)鍵裝備

3.1 空氣螺桿馬達(dá)

空氣螺桿馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)碎軟煤層定向鉆進(jìn)成孔的關(guān)鍵，針對(duì)性研制出礦用小直徑空氣螺桿馬達(dá)，直徑73 mm、長度4 m、結(jié)構(gòu)彎角1.25°，滿足低壓力啟動(dòng)、長壽命的工作需要，同時(shí)在馬達(dá)定子外壁銑螺旋槽結(jié)構(gòu)，以提高鉆孔排渣效果。

3.2 防爆礦用井下螺桿壓縮機(jī)

煤礦井下系統(tǒng)壓風(fēng)輸出壓力一般在0.75 MPa以下，難以滿足空氣螺桿馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)及孔內(nèi)排渣需要，因此選MLGF17/12.5-132G型防爆礦用井下螺桿壓縮機(jī)，其額定輸出壓力為1.25 MPa、輸出流量為17 m3/min。

3.3 定向鉆機(jī)

采用ZDY6000LD(F)定向鉆機(jī)，采用緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給進(jìn)/起拔能力強(qiáng)，最大回轉(zhuǎn)扭矩為6 000 N·m，滿足空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)和孔內(nèi)異常情況處理的需要，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 ZDY6000LD(F)型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 The technical parameters of ZDY6000LD(F)drilling rig

4 工程實(shí)踐

4.1 鉆孔設(shè)計(jì)

在青龍煤礦二采區(qū)21608軌順鉆場(chǎng)和21601運(yùn)順鉆場(chǎng)進(jìn)行施工，利用順煤層定向鉆孔抽采16#煤層瓦斯，掩護(hù)煤巷條帶掘進(jìn)。鉆場(chǎng)布置在掘進(jìn)迎頭，每個(gè)鉆場(chǎng)布置7個(gè)鉆孔，鉆孔開孔位置在煤層中部，鉆孔設(shè)計(jì)軌跡沿巷道掘進(jìn)方向延伸，設(shè)計(jì)孔深為300 m，同時(shí)覆蓋待掘巷道兩側(cè)各20 m。 根據(jù)16#煤層的瓦斯賦存情況確定孔間距為7 m、孔徑為108 mm。鉆孔施工完成后通過裸眼下篩管進(jìn)行護(hù)孔，以確保瓦斯抽采效果。

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為套管段和定向鉆進(jìn)段：①孔口套管段：采用“Φ108 mmPDC鉆頭+Φ73 mm鉆桿”鉆具組合開孔，鉆進(jìn)至15 m后退鉆，然后分別采用Φ133 mm、Φ153 mm、Φ193 mm擴(kuò)孔鉆頭全程擴(kuò)孔，最后下入Φ127 mm套管，注漿侯凝，水泥漿凝固時(shí)間不小于24 h。 ②定向鉆進(jìn)段：采用“Ф108 mm定向鉆頭+Ф73 mm空氣螺桿馬達(dá)+Ф73 mm下無磁鉆桿+YHD2-1000(A)測(cè)量探管+Ф73 mm上無磁鉆桿+Ф73 mm通纜鉆桿+Ф73 mm通纜鉆桿+大通孔送風(fēng)器”鉆具組合，完成整個(gè)定向孔段施工作業(yè)。

4.2 施工難點(diǎn)

1) 鉆孔軌跡精確控制。煤巷條帶區(qū)域內(nèi)頂?shù)装逖由烨闆r不明確，斷層發(fā)育造成局部煤層變薄，甚至錯(cuò)斷，局部孔段的坍塌都可能會(huì)造成鉆孔軌跡參數(shù)突變，這些因素會(huì)造成順煤層定向鉆進(jìn)受阻或中斷。

2) 下斜孔高效排渣。試驗(yàn)煤巷內(nèi)煤層以負(fù)角度延伸，下斜孔排渣難度更大，排渣效率相較于水平孔和上仰孔較差，且空氣自身的攜渣能力較弱，如何高效排渣成為制約鉆孔深度延伸的關(guān)鍵因素。

3) 空氣螺桿馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于空氣螺桿馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)需要比液驅(qū)螺桿馬達(dá)更高的流速，且空氣的散熱和潤滑效果也較差，鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)造成空氣螺桿馬達(dá)制動(dòng)，甚至引發(fā)孔內(nèi)事故。

4.3 施工情況

4.3.1 21608軌順鉆場(chǎng)施工情況

21608軌順鉆場(chǎng)于2018年6月15日開始施工，至2018年8月20結(jié)束，共完成定向鉆孔主孔及主分支孔9個(gè)，其中主孔7個(gè)，主分支孔2個(gè)，總進(jìn)尺3 929 m，300 m以上成孔率達(dá)到88.9%，具體孔深見表3。利用定向鉆孔軌跡可控的優(yōu)勢(shì)覆蓋整個(gè)待掘區(qū)域，確保不留瓦斯抽采空白帶，實(shí)鉆軌跡平面如圖1所示。

表3 21608軌順試驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔施工統(tǒng)計(jì)Table 3 Construction statistics of drilling field in21608 track transportation

4#鉆孔為該鉆場(chǎng)的首個(gè)鉆孔，通過開分支技術(shù)探明煤層頂?shù)装宸植记闆r，最大開分支個(gè)數(shù)為8個(gè)，為后續(xù)鉆孔軌跡沿煤層延伸提供重要依據(jù)。利用空氣作為鉆進(jìn)動(dòng)力介質(zhì)和排渣介質(zhì)，發(fā)生噴孔的次數(shù)和強(qiáng)度顯著降低，這是因?yàn)榭諝鈱?duì)孔壁煤體的擾動(dòng)小，且瓦斯與空氣的密度差低，孔壁解吸釋放的瓦斯能迅速隨壓風(fēng)排出孔外，避免瓦斯在孔內(nèi)聚集導(dǎo)致噴孔的發(fā)生，有效提高了成孔效率和成孔深度。此外，通過對(duì)鉆進(jìn)工藝參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了空氣螺桿馬達(dá)長時(shí)間穩(wěn)定工作。

4.3.2 21601運(yùn)順鉆場(chǎng)施工情況

21601運(yùn)順鉆場(chǎng)于2018年9月6日開始施工，至2018年11月29日結(jié)束，共完成定向鉆孔主孔及主分支孔11個(gè)，其中主孔8個(gè)、主分支孔3個(gè)，總進(jìn)尺4 524 m，300 m以上鉆孔成孔率達(dá)到75%，具體孔深見表4，實(shí)鉆軌跡平面圖如圖2所示。在鉆孔施工期間，通過對(duì)鉆孔軌跡的調(diào)控成功穿越F17逆斷層。

圖1 21608軌順鉆場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖Fig.1 Plan of actual drilling track of 21608 raildrilling field test hole

表4 21601運(yùn)順試驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔施工統(tǒng)計(jì)Table 4 Drilling construction statistics of 21601 transporttunnel test drilling site

由于巷道掘進(jìn)方向煤層呈-3°傾角延伸，為保證下斜孔排渣順暢，采用復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù)，通過孔內(nèi)鉆具回轉(zhuǎn)迫使鉆渣在環(huán)空懸浮，同時(shí)碾壓大顆粒鉆渣，降低鉆渣在孔壁下緣沉積的概率，使細(xì)顆粒鉆渣更容易被壓風(fēng)帶出孔外。采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了21061運(yùn)順鉆場(chǎng)下斜孔高效排渣，其中2#鉆孔最大孔深達(dá)到385 m，孔底距離孔口最大垂深達(dá)到-34.20 m。

4.4 瓦斯抽采效果分析

21608軌順鉆場(chǎng)為原始瓦斯區(qū)域，瓦斯?jié)舛雀?、壓力大?2018年8月底完成鉆孔施工進(jìn)行集中連抽，截至2020年2月27日，已累計(jì)抽采瓦斯200萬m3，平均瓦斯抽采純量在2.74 m3/min，連續(xù)476 d瓦斯抽采量在3 000 m3/d以上。 如圖3所示，抽采初期(100 d)，鉆場(chǎng)抽采瓦斯純量在2.6～3.6 m3/min之間波動(dòng)變化，瓦斯?jié)舛缺３衷?5%以上。隨著抽采時(shí)間的增長，抽采瓦斯純量和濃度逐漸衰減，但衰減速率緩慢，至2020年2月27日，鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛热詾?3.7%，瓦斯純量為1.7 m3/min，實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯長期穩(wěn)定抽采。

圖2 21601運(yùn)順鉆場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖Fig.2 Plan of actual drilling track of 21601 transporttunnel drilling field

圖3 21608軌順鉆場(chǎng)瓦斯抽采情況Fig.3 Gas drainage of 21608 track drilling site

21601運(yùn)順鉆場(chǎng)區(qū)域?qū)儆谛秹簠^(qū)域，于2018年11月底完成鉆孔施工進(jìn)行集中連抽，截至2019年3月21日，已累計(jì)抽采瓦斯42萬m3。如圖4所示，抽采初期(30 d)，鉆場(chǎng)抽采瓦斯純量維持在2.86～3.06 m3/min，瓦斯?jié)舛仍?8%以上。隨著鉆孔抽采時(shí)間的增長，瓦斯抽采純量和瓦斯抽采濃度呈下降趨勢(shì)，截至2019年3月21日，鉆場(chǎng)抽采瓦斯純量為1.33 m3/min，濃度為38.2 %。由于部分鉆孔瓦斯抽采量和濃度下降明顯，其中4#鉆孔瓦斯抽采純量下降至0.1 m3/min，濃度下降至17.8%，隨即撤抽進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗(yàn)。

圖4 21601運(yùn)順鉆場(chǎng)瓦斯抽采情況Fig.4 Gas drainage of 21601 track drilling site

4.5 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

在21601運(yùn)順鉆場(chǎng)對(duì)定向鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突效果進(jìn)行檢驗(yàn)，按照《防治煤與瓦斯突出突出細(xì)則》的規(guī)定，采用分段檢驗(yàn)的方法，煤巷條帶檢驗(yàn)區(qū)段長度為120 m，共設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每間隔20～30 m布置1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，鉆孔施工至設(shè)計(jì)取樣位置后，利用定點(diǎn)取樣裝置鉆取煤樣，測(cè)試煤層殘余瓦斯含量。通過順煤層定向鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯，極大消除了煤層的突出危險(xiǎn)性，21601運(yùn)順鉆場(chǎng)檢驗(yàn)區(qū)段剩余瓦斯含量為4.27 t/min，煤層瓦斯壓力為0.063 MPa，且鉆孔施工過程中未發(fā)生噴孔、頂鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了煤巷條帶區(qū)域消突，監(jiān)測(cè)區(qū)段已經(jīng)安全掘進(jìn)，未發(fā)生瓦斯超限等問題。

5 結(jié) 論

1) 將定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，具有鉆孔軌跡可控、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效果好等優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)行突出煤層區(qū)域瓦斯超前治理，從而實(shí)現(xiàn)煤巷條帶區(qū)域消突、降低瓦斯治理成本。

2) 空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)碎軟突出煤層高效成孔，利用空氣作為鉆進(jìn)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)成孔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效排渣，能顯著降低鉆孔噴孔和塌孔概率、提高成孔深度和成孔效率。在青龍煤礦21608軌順鉆場(chǎng)和21601運(yùn)順鉆場(chǎng)實(shí)鉆情況表明：孔深300 m以上鉆孔成孔率分別達(dá)到88.9%和75.0%，成果效果顯著。

3) 瓦斯抽采效果表明，定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯單孔瓦斯純量大、濃度高，其中21608軌順鉆場(chǎng)已抽采瓦斯200萬m3，實(shí)現(xiàn)瓦斯長期穩(wěn)定抽采；21601運(yùn)順鉆場(chǎng)累計(jì)抽采瓦斯42萬m3，經(jīng)區(qū)域效果檢驗(yàn)合格后，已安全掘進(jìn)。