瓦斯抽采大直徑深孔鉆進工程響應特性

李立華，陳 勇

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南 平頂山467000；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；4.湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

隨著礦井開拓開采向深部延伸，深部煤巖體“高地應力、高瓦斯壓力、高瓦斯含量、低滲透性”賦存環(huán)境的本真屬性，以及深部開采“強擾動”和“強時效”附加屬性使深部煤體開采災害更加難以預測和精準防控[1]。平頂山礦區(qū)歷經(jīng)多年開發(fā)建設，千米深井煤炭開采逐漸成為礦區(qū)開發(fā)新常態(tài)，深部復雜地質(zhì)條件下松軟突出煤層對煤與瓦斯突出防治和瓦斯抽采具有更大的挑戰(zhàn)。尤其是開采深度的延伸、地質(zhì)條件的復雜造成煤體松軟破碎區(qū)、斷層破碎帶以及煤厚突變區(qū)鉆進困難、孔壁穩(wěn)定性差、成孔效率低，嚴重影響了鉆進深度和瓦斯抽采效果[2]。

瓦斯抽采鉆孔大直徑深孔鉆進是礦井瓦斯高效抽采的發(fā)展趨勢，與之配套的鉆進裝備、鉆進工藝以及鉆孔失穩(wěn)機理與抽采參數(shù)的量化關(guān)系一直是研究的熱點[3-6]。如王永龍等[7]基于鉆穴區(qū)鉆屑運移特征，提出了降低鉆桿排渣阻力、增大排渣空間的鉆具設計方法，研制出刻槽螺旋鉆桿、低螺旋鉆桿、等離子熔涂螺旋鉆桿等系列鉆桿，有效改善了軟煤層的鉆進深度和鉆進效率；賈傳洋等[8]通過室內(nèi)試驗研究了孔徑、孔間距和孔深等參數(shù)對試樣強度的影響，結(jié)果表明裂紋擴展貫通導致的應力釋放是鉆孔產(chǎn)生卸壓作用的根本原因，且孔徑、孔深越大，鉆孔周圍裂紋數(shù)量越多，主控裂紋紋路越清晰，鉆孔卸壓效果越好；唐巨鵬等[9]針對鉆桿直徑、鉆進速度對鉆屑量的差異性影響進行了試驗研究；蘭永偉等[10]采用數(shù)值模擬方法分析了鉆孔直徑、鉆孔間距、煤體應力等對卸壓效果的影響，研究了鉆孔卸壓效果影響因素之間的關(guān)系，結(jié)果表明在其他因素一定的條件下，卸壓效果隨鉆孔直徑的增大而提高;董洪凱等[11]采用數(shù)值模擬方法分析了不同鉆孔直徑(依次為50 mm、75 mm、108 mm、120 mm)、鉆孔深度(依次為10 m、20 m、30 m)和鉆孔間距(依次為3 m、5 m、8 m)條件下鉆孔的卸壓效果，結(jié)果表明鉆孔卸壓效果與鉆孔直徑呈正相關(guān)，與鉆孔間距呈負相關(guān)，即鉆孔直徑越大、鉆孔間距越小、鉆孔深度適中，鉆孔卸壓效果會越好；高永格等[12]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法對相同地質(zhì)條件下鉆孔不同孔徑大小周圍應力分布演化規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明在相同地質(zhì)條件下適當增大鉆孔直徑可有效增加鉆孔周圍塑性區(qū)半徑，提高鉆孔卸壓效果；童壁等[13]采用煤層瓦斯含量、瓦斯預抽率、預測指標和掘進速度等指標對大孔徑順層長鉆孔消突技術(shù)在潘一礦進行了現(xiàn)場應用考察，結(jié)果表明實施大孔徑順層長鉆孔消災技術(shù)能夠使工作面周圍煤體的應力集中區(qū)前移，增加卸壓程度和透氣性，快速、有效地消除工作面的瓦斯突出危險性；許江等[14]利用自主研發(fā)的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，開展了卸壓區(qū)不同鉆孔長度條件下瓦斯抽采的物理模擬試驗，分析了抽采過程中煤層瓦斯運移的相對速度和方向特征；馬波等[15]采用自主研發(fā)的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，分析了不同抽采長度條件下煤儲層內(nèi)氣體壓力參數(shù)的動態(tài)演化規(guī)律；張鈞祥等[16]基于煤體多重介質(zhì)特性與瓦斯運移機理，結(jié)合孔隙壓力與吸附膨脹效應對滲透率的影響以及彈性力學對煤體變性的控制效應，構(gòu)建了瓦斯擴散滲流耦合模型，并采用數(shù)值模擬方法研究了不同抽采時間下瓦斯壓力、有效半徑的變化規(guī)律，結(jié)果表明現(xiàn)場實測結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合；陳勇[17]通過現(xiàn)場試驗量化分析并表征了礦井瓦斯在同源抽采與混源抽采狀態(tài)下抽采負壓、抽采濃度的工況特性。

盡管目前針對大直徑深孔鉆進在如何改進成孔工藝、提高瓦斯抽采效果方面開展了較多的機理、裝備與工藝研究，但針對瓦斯抽采大直徑深孔鉆進從礦井覆蓋到礦區(qū)的試驗研究與應用，暫未形成配套的技術(shù)與工藝體系，尤其是針對地質(zhì)條件復雜、煤層普遍松軟的平頂山礦區(qū)，在千米深井開采的新常態(tài)下急需在松軟煤層大直徑深孔鉆進配套裝備與工藝方面形成成套的技術(shù)與工藝體系?；诖耍疚膹拇笾睆缴羁足@進裝備與工藝優(yōu)化、鉆孔軌跡特征以及大直徑深孔鉆進與抽采參數(shù)量化關(guān)系的角度，對如何實現(xiàn)瓦斯“治得快”“治得好”開展了工藝研究和現(xiàn)場試驗，以為礦區(qū)深孔鉆進與瓦斯抽采提供理論依據(jù)與應用參考。

1 大直徑深孔鉆進裝備與工藝

1.1 工程背景

隨著礦井開采深度的增加，平頂山礦區(qū)地質(zhì)條件越來越復雜，在煤層松軟、斷層等地質(zhì)構(gòu)造破碎帶以及煤層厚度突變區(qū)域等地質(zhì)異常區(qū)鉆進時，由于排渣困難、孔壁穩(wěn)定性差，會發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故進而嚴重制約鉆進深度。普通鉆機由于鉆進能力不足，鉆孔深度達到80 m后便會出現(xiàn)鉆進困難。根據(jù)普通鉆機前期施鉆情況統(tǒng)計，鉆孔深度為0～30 m時，平均鉆進速度為1 m/min；鉆孔深度為30～60 m時，平均鉆進速度為0.70 m/min；鉆孔深度為60～80 m時，平均鉆進速度為0.50 m/min；鉆孔深度為80～100 m時，平均鉆進速度為0.30 m/min；鉆進深度大于100 m后鉆進困難。另一方面，傳統(tǒng)的排粉方式以0.30～0.50 MPa風壓排粉為主，隨著鉆進深度的增加，風壓與風量不能滿足深孔鉆進要求，鉆進深度80 m以后，鉆屑不能有效排出，孔內(nèi)積渣造成鉆進、退鉆困難。為了增加鉆孔有效抽采長度、提高抽采效率，需要改變現(xiàn)有的設備和工藝，以更好地增大區(qū)域預抽鉆孔有效深度，同時增大風壓與風量，提高成孔效率，實現(xiàn)大直徑深孔鉆進。

1.2 鉆進裝備升級

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處引進CMS1-8000/90型、ZDY8000SWL型鉆車等大功率、大扭矩鉆進裝備，并配套使用能夠研磨孔內(nèi)大顆粒且順暢排渣的89mm中空圓肋骨鉆桿和113 mm通孔開閉式PDC鉆頭，形成松軟突出煤層順利鉆進工藝。大直徑深孔鉆進裝備如圖1所示。

圖1 大直徑深孔鉆進裝備

1.3 壓風工藝優(yōu)化

大功率、大扭矩鉆進裝備可滿足深孔鉆進的要求，而圓肋骨鉆桿機械強度高、使用壽命長，可大大降低對孔壁的摩擦擾動，保持孔壁的穩(wěn)定性，促使鉆孔排渣效率、鉆進效率、成孔率大大提高。但順層鉆孔排渣以壓風為主，鉆進到一定深度會出現(xiàn)排渣困難，尤其是鉆進深度達到80 m后鉆屑不能順利排出會造成卡鉆甚至掉鉆桿的困境。對此，基于風壓鉆進原理，采用雙缸氣體增壓泵增壓，驅(qū)動動力為0.30～0.80 MPa的壓縮空氣，實現(xiàn)增壓比2∶1的氣體增壓，輸出0～1.60 MPa增壓壓力且無極可調(diào)，并集成配套YZ壓風增壓裝置形成中風壓鉆進工藝，以提高鉆孔深度和鉆孔成孔率?？疾煸囼炇褂玫膲猴L增壓裝置，見圖2。

圖2 壓風增壓裝置

2 大直徑深孔鉆進軌跡特征分析

瓦斯抽采鉆孔能否在煤層中實現(xiàn)定向精準鉆進是瓦斯高效抽采的前提。煤層中鉆進時，煤體軟硬不均、煤層中瓦斯賦存差異以及鉆進能力大小、鉆機穩(wěn)定性等因素均會影響鉆孔軌跡特征。若鉆孔竣工軌跡相對設計參數(shù)發(fā)生較大的偏移，則瓦斯抽采鉆孔就會發(fā)生錯位，不能均勻、有效地覆蓋煤層瓦斯抽采區(qū)域，可能形成瓦斯抽采空白和應力集中區(qū)域，很大程度上會影響瓦斯抽采效果與生產(chǎn)安全[18-19]。

在優(yōu)化鉆進裝備、壓風工藝的基礎(chǔ)上，對鉆孔軌跡特征進行了監(jiān)測。粗徑鉆具軸線偏離鉆孔軸線是造成鉆孔發(fā)生偏斜的根本原因，發(fā)生方式可能是偏倒也可能是彎曲。因此，鉆孔發(fā)生偏斜的必要條件是：一是存在孔壁間隙，其提供了偏倒/彎曲的空間；二是具有傾倒或彎曲的作用力。粗徑鉆具沿傾斜面方向的穩(wěn)定性則是鉆孔彎曲的充分條件。鉆具傾斜面穩(wěn)定在某一方向時，鉆桿只發(fā)生自轉(zhuǎn)引起鉆孔彎曲；若鉆桿公轉(zhuǎn)則必定帶動偏倒或彎曲粗徑鉆具圍繞鉆孔軸線轉(zhuǎn)動，使鉆頭在不同時刻朝著不同方向鉆進，僅產(chǎn)生擴壁作用而不會導致鉆孔彎曲[20]。為了開展大直徑深孔鉆進軌跡特征分析，在平頂山礦區(qū)平煤八礦對直徑為94 mm、113 mm各50個上向鉆孔軌跡特征進行了測量與統(tǒng)計，在首山一礦對直徑為94 mm、113 mm各50個下向鉆孔軌跡特征進行了測量與統(tǒng)計。平煤八礦煤層瓦斯含量為10.66～16 m3/t，煤層瓦斯壓力為1～1.70 MPa；首山一礦煤層瓦斯含量為10.46～11.20 m3/t，煤層瓦斯壓力為1.30～1.50 MPa。鉆孔軌跡考察選自同一礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層和瓦斯賦存相近的兩個相鄰礦井，具有較好的代表性，鉆孔軌跡考察結(jié)果見表1，不同類型鉆孔的百米垂直與水平偏移量和偏移占比見圖3和圖4。

表1 鉆孔軌跡參數(shù)

圖3 不同類型鉆孔的百米垂直與水平偏移量

圖4 不同類型鉆孔的偏移占比

由表1和圖3、圖4可知：94 mm、113 mm鉆孔軌跡偏移規(guī)律呈現(xiàn)類似的變化，即鉆孔百米水平偏移量大于百米垂直偏移量，上向鉆孔上偏概率大于下偏概率，下向鉆孔下偏概率大于上偏概率；相同孔徑下，下向鉆孔的百米水平與垂直偏移量大于上向鉆孔，且百米水平偏移量的差異性更大。

上述結(jié)果表明：鉆孔直徑越大，鉆孔軌跡偏移量越大，這符合鉆孔軌跡偏移的條件；113 mm鉆孔百米水平偏移量平均值比94 mm鉆孔大約0.50 m，這是由于在鉆桿直徑一定的前提下，鉆孔直徑越大，鉆孔孔壁間隙、偏移空間越大。

3 大直徑深孔鉆進特征參數(shù)的量化分析

3.1 孔徑變化前后瓦斯抽采濃度對比

地下空間工程結(jié)構(gòu)所包含的大中小尺寸(巷道→瓦斯抽采鉆孔→孔裂隙)均可視為不同尺度的自由空間，任何以新形式形成的自由空間均可視為已有自由空間系統(tǒng)的擴展與延伸。以瓦斯抽采鉆孔為例，不同鉆孔孔徑對煤體卸壓效果具有顯著不同的尺寸效應[21-23]。增大鉆孔直徑鉆進可進一步增大對孔周煤體的破裂和軟化，成孔后形成的卸壓半徑相對較大，孔周煤體產(chǎn)生明顯的卸壓瓦斯?jié)B流效應，進而直觀地體現(xiàn)在瓦斯抽采濃度的變化上。為了考察瓦斯抽采大直徑深孔鉆進對瓦斯抽采濃度的影響，在首山一礦同一煤層中對相同工程數(shù)量的94 mm、113 mm鉆孔在采取相同封孔工藝下的瓦斯抽采濃度進行了測定，考察不同抽采時間內(nèi)瓦斯抽采濃度的變化和瓦斯抽采濃度的時效特性，其結(jié)果見表2和圖5。

表2 首山一礦94 mm與113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度對比

圖5 首山一礦94 mm與113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度的時效特性

由表2和圖5可知：平均孔深為106.88 m的113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度明顯高于平均孔深為86.50 m的94 mm鉆孔，大直徑深孔鉆孔對瓦斯抽采效果的影響非常明顯，其中113 mm鉆孔初始瓦斯抽采濃度平均值為88%以上，經(jīng)過30 d的抽采，鉆孔瓦斯抽采濃度平均值仍維持32%以上，94 mm鉆孔初始瓦斯抽采濃度平均值為75%以上，經(jīng)過30 d的抽采，鉆孔瓦斯抽采濃度平均值僅維持在15%左右，且30 d的抽采期內(nèi)，113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度為94 mm鉆孔的2.02倍(見表2);根據(jù)不同抽采時間內(nèi)瓦斯抽采濃度的變化情況，采用趨勢預測指數(shù)回歸方式得到了鉆孔瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)，首山一礦113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)為0.336 0 d-1，94 mm鉆孔瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)為0.518 0 d-1，其值為113 mm鉆孔的1.54倍(見圖5)。

3.2 瓦斯抽采效果分析

為了進一步掌握大直徑深孔鉆進工藝在平頂山礦區(qū)的瓦斯抽采效果，在首山一礦開展試驗的基礎(chǔ)上，選擇同一礦區(qū)煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造條件相似的平煤六礦、平煤八礦進行了113 mm鉆孔瓦斯抽采效果考察，不同煤礦113 mm鉆孔工況參數(shù)與瓦斯抽采濃度對比見表3，不同煤礦113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度的時效特性見圖6。

表3 不同煤礦113 mm鉆孔工況參數(shù)與瓦斯抽采濃度對比

圖6 不同煤礦113 mm鉆孔瓦斯抽采濃度的時效特性

由表3和圖6可知：礦區(qū)113 mm鉆孔共試驗546個，平均孔深為100 m以上；鉆孔初始瓦斯抽采濃度平均值為84%以上，經(jīng)過30 d的抽采，522個鉆孔瓦斯抽采濃度平均值仍維持在33%以上，占試驗鉆孔總量的95.60%；針對不同抽采時間內(nèi)瓦斯抽采濃度的變化情況，采用趨勢預測指數(shù)回歸方式得到了鉆孔瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)，同一礦區(qū)鄰近礦井大直徑深孔鉆進下瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)介于0.266 0～0.571 0 d-1之間。

3.3 瓦斯抽采特征參數(shù)的量化關(guān)系

大直徑深孔瓦斯抽采特征參數(shù)的提升關(guān)鍵是在鉆進擾動作用與孔周應力作用下，鉆孔出煤量大幅度增加，對應的煤壁暴露面積增大，同時在孔周形成一個比鉆孔孔徑成倍數(shù)增加的破碎區(qū)，進而在孔周煤體破裂、擴展并衍生裂隙通道，促使孔周煤體瓦斯發(fā)生解吸、擴散和滲流[24-25]。鉆孔出煤量越多對煤層卸壓和釋放地應力的效果越好，直接決定了鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采期內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊乃p程度[26]。根據(jù)鉆進期間煤體擾動破壞作用下的鉆屑量，本文對同一礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層和瓦斯賦存條件相近的鄰近礦井在大直徑深孔鉆進期間的鉆孔出煤量進行了對比考察，并測定了考察區(qū)域煤層瓦斯含量，其結(jié)果見表4和圖7至圖10。

表4 不同煤礦113 mm鉆孔出煤量和瓦斯抽采參數(shù)對比

圖7 不同煤礦113 mm鉆孔出煤量和瓦斯抽采濃度對比(7 d)

圖8 不同煤礦113 mm鉆孔出煤量和瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)對比(30 d)

圖9 113 mm鉆孔出煤量與瓦斯抽采濃度的對應關(guān)系(7 d)

圖10 113 mm鉆孔瓦斯含量與抽采濃度衰減系數(shù)對應關(guān)系(30 d)

由表4和圖7、圖8可知：鉆孔出煤量越多，孔周裂隙通道的擴展范圍越大、鉆孔壓力梯度的作用能力與作用范圍越大，同時瓦斯抽采區(qū)域煤層瓦斯含量越大、瓦斯補給能力越強，瓦斯抽采濃度越高、瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)越小。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，在鉆進擾動作用下113 mm鉆孔出煤量為4～6 t，鉆孔理論成孔直徑可增大至234 mm，94 mm鉆孔出煤量為2～3 t，鉆孔理論成孔直徑可增大至165 mm，且113 mm鉆孔相對94 mm鉆孔實際出煤量增大至2倍，理論成孔直徑增大1.42倍。

鉆孔內(nèi)部出煤量為孔周煤體在應力作用下的膨脹變形提供空間，鉆孔直徑增大，增加了煤體內(nèi)部瓦斯流動通道和暴露面積，加快了煤層瓦斯解吸[27-28]。由表4和圖7可知：平煤六礦、平煤八礦、首山一礦(1)和首山一礦(2)試驗鉆孔的平均出煤量分別為3.70 t、6.04 t、6.74 t、6.92 t，在抽采7 d的考察期內(nèi)瓦斯抽采平均濃度分別為50.22%、61.51%、74.82%、76.42%。隨著鉆孔出煤量的增加，鉆孔瓦斯抽采濃度呈逐漸增大的趨勢，鉆孔出煤量與瓦斯抽采濃度符合y=30.728e0.127 6x(R2=0.931 1)指數(shù)函數(shù)規(guī)律(見圖9)，這與前人的研究成果具有較好的匹配性。

煤層瓦斯含量的大小決定了一定壓力梯度下的瓦斯涌出量和涌出強度，加上煤體持續(xù)的膨脹變形，孔周煤體孔隙率和透氣性均增大，為瓦斯流動和瓦斯補給提供了有利條件[29-30]。由表4和圖8可知：平煤六礦、平煤八礦、首山一礦(1)和首山一礦(2)試驗鉆孔的煤層瓦斯含量分別為7.57 m3/t、12.00 m3/t、11.09 m3/t、11.09 m3/t，在抽采30 d的考察期內(nèi)瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)分別為0.571 0 d-1、0.266 0 d-1、0.305 0 d-1、0.322 0 d-1。隨著煤層瓦斯含量的增大，瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)呈逐漸減小的趨勢，煤層瓦斯含量與瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)符合y=-0.070 6x+1.102 5(R2=0.994 1)線性函數(shù)規(guī)律(見圖10)，這與前人的研究成果具有較好的匹配性。

通過對同一礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層和瓦斯賦存條件相近的鄰近礦井在113 mm大直徑深孔鉆進期間出煤量與瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)以及煤層瓦斯含量與瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)的對比考察發(fā)現(xiàn)：大直徑深孔鉆進促使了鉆孔出煤量增加、煤壁暴露面積增大、孔周煤體裂隙通道擴展，在壓力梯度與瓦斯補給作用下提高了瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 論

(1) 大功率、大扭矩鉆車配套89 mm圓肋骨鉆桿、113 mm通孔開閉式鉆頭、YZ增壓裝置中風壓鉆進工藝，可基本滿足現(xiàn)階段礦區(qū)大直徑深孔鉆進的要求。

(2) 鉆孔直徑越大，鉆孔軌跡偏移量越大，且百米水平偏移量明顯大于百米垂直偏移量；相同孔徑下，下向鉆孔的百米水平與垂直偏移量大于上向鉆孔，且百米水平偏移量的差異性更大。孔徑與布孔方式對鉆孔百米偏移量均有一定程度的影響。如何降低鉆孔偏移程度、減小瓦斯抽采空白帶，合理研究鉆孔直徑與布孔方式是瓦斯高效抽采的重要方向。

(3) 鉆孔出煤量越多，孔周裂隙通道的擴展范圍越大，鉆孔壓力梯度的作用能力與作用范圍越大；同時，抽采區(qū)域煤層瓦斯含量越大、瓦斯補給能力越強，瓦斯抽采濃度越高、瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)越小。鉆孔出煤量與瓦斯抽采濃度符合y=30.728e0.127 6x(R2=0.931 1)指數(shù)函數(shù)規(guī)律，煤層瓦斯含量與瓦斯抽采濃度衰減系數(shù)符合y=-0.070 6x+1.102 5(R2=0.994 1)線性函數(shù)規(guī)律。

(4) 通過大直徑深孔鉆進期間瓦斯抽采參數(shù)關(guān)系的量化分析表明，大直徑深孔鉆進促使了鉆孔出煤量增加、煤壁暴露面積增大、孔周煤體裂隙通道擴展，在壓力梯度與瓦斯補給作用下提高了瓦斯抽采效果。